JP7284194B2 - Metal oxide-based electrode composition - Google Patents
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Description
関連出願の相互参照
本発明は、参照によりその内容全体が本明細書に組み込まれる2018年6月8日(08.06.2018)に出願されたGB 1809467.2及び2019年4月12日(12.04.2019)に出願されたGB 1905218.2に関連し、且つこれらの利点を主張する。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This invention is the subject of GB 1809467.2 filed on June 8, 2018 (08.06.2018) and dated April 12, 2019 ( GB 1905218.2 filed on 12.04.2019) and claims these advantages.
本発明は、電極、及び電極を含むリチウムイオン電池等の電気化学セル、並びに電気化学セル内で電極を使用する方法を提供する。 The present invention provides electrodes and electrochemical cells, such as lithium ion batteries, containing the electrodes, and methods of using the electrodes in electrochemical cells.
高速リチウムイオン電池電極材料は、何時間というのではなく、数分間の充電において多量の電荷を蓄えることができる。そうした材料は、電気車両及びグリッドスケール電池の採用に関連する技術的な難課題を解決し、新たな電力強化装置を可能にするのに必要とされる。 Fast lithium-ion battery electrode materials are capable of storing large amounts of charge in minutes rather than hours of charging. Such materials are needed to solve the technical challenges associated with the adoption of electric vehicles and grid-scale batteries and to enable new power enhancement devices.
電極材料の速度性能を向上させる、最も直観的な一般的に使用される手法は、ナノサイズ又は多孔質(且つ多くは階層的)構造を造り出すことである。これは、リチウムイオンの固体内拡散距離を最小限にすることにより、リチウムイオンのより急速な電極内輸送が可能となり、電解質と接触する電極材料の表面積が増大する。炭素質階層構造及び炭素コーティングも電気伝導度を改善するために頻繁に使用され、これは高速用途のもう一つの必須要件である。 The most intuitive and commonly used approach to improving the rate performance of electrode materials is to create nano-sized or porous (and often hierarchical) structures. This allows for more rapid intra-electrode transport of lithium ions by minimizing the solid-state diffusion length of lithium ions, increasing the surface area of the electrode material in contact with the electrolyte. Carbonaceous hierarchical structures and carbon coatings are also frequently used to improve electrical conductivity, another essential requirement for high speed applications.
実際、グラファイトは、リチウムイオン移動度が優れているにもかかわらず、粒子の破壊、並びにリチウムデンドライトが形成して短絡するリスク及び発火及び爆発のリスクがあるため、高速では使用することができない(Zhaoら;Downieら)。後者の問題点は、高速用途における低電圧アノードの使用を本質的に制限するが、それは電極不均一性、又は何らかの過電位増加源が、低電圧電極の表面上にリチウムメッキ電位をもたらすことがあるからである(Downieら)。 In fact, graphite, despite its excellent lithium ion mobility, cannot be used at high speeds due to the risk of particle breakage and the formation of lithium dendrites resulting in short circuits and ignition and explosion ( Zhao et al.; Downie et al.). The latter issue inherently limits the use of low voltage anodes in high speed applications, as electrode non-uniformity, or any source of increased overpotential, can lead to lithium plating potentials on the surface of the low voltage electrode. (Downie et al.).
Li+/Liに対して1.55Vの平均電圧を有するLi4Ti5O12(チタン酸リチウム;LTO)は、たとえ、望ましくはないが必要なフルセル電圧の低下、したがってエネルギー密度の低下を伴ったとしても、リチウムデンドライト又は実質的な固体-電解質界面(SEI)形成のリスクなしに、高速(デ)インターカレーションを可能にする。しかし、この十分に確立された「高速」アノードにおいてさえも、固体状態合成からの1μm粒子の容量は、10Cの速度で、わずか60~65mA・h・g-1に達するに過ぎない(Kimら)。 Li 4 Ti 5 O 12 (lithium titanate; LTO), which has an average voltage of 1.55 V versus Li + /Li, is associated with an undesirable but necessary reduction in full-cell voltage and thus energy density. It allows rapid (de)intercalation without the risk of lithium dendrites or substantial solid-electrolyte interface (SEI) formation, if at all. However, even in this well-established “fast” anode, the capacity of 1 μm particles from solid-state synthesis reaches only 60-65 mA h g −1 at 10 C rate (Kim et al. ).
高CレートでLTO電極の容量を増大するためにいくつかの戦略が提案されており、現在のLTOの炭素被覆ナノ粒子は、10Cで、少なくとも150mA・h・g-1に達することができる(Wangら;Odziomekら)。これは、遷移金属当たり約0.5リチウムイオン(Li+/TM)に相当する。 Several strategies have been proposed to increase the capacity of LTO electrodes at high C-rates, and carbon-coated nanoparticles of current LTO can reach at least 150 mA h g −1 at 10 C ( Wang et al.; Odziomek et al.). This corresponds to approximately 0.5 lithium ions per transition metal (Li + /TM).
しかし、電気化学エネルギー貯蔵用途にナノ構造且つ多孔質の材料を使用することは、体積エネルギー密度に関して本質的に重大な不利益をもたらす。更に、これらの入念に設計された多孔質及びナノアーキテクチャは、合成、特徴付け及び製造をするのに時間がかかり、費用もかかる。合成方法は、比較的低収率及び/又は大量の化学廃棄物の発生という結果をもたらすことが多い(Oszajcaら)。更に、これらの多孔質及びナノアーキテクチャはまた、電解質の触媒分解(Palacinら)、ナノ構造化の損失をもたらす形態学的変化(Wuら)、及びより高い第一サイクル容量損失(Kasnatscheewら)等のプロセスから、電気化学的サイクリングの間に、劣化を受けやすい。 However, the use of nanostructured and porous materials for electrochemical energy storage applications inherently poses significant penalties in terms of volumetric energy density. Moreover, these carefully engineered porous and nanoarchitectures are time consuming and expensive to synthesize, characterize and manufacture. Synthetic methods often result in relatively low yields and/or the generation of large amounts of chemical waste (Oszajca et al.). Furthermore, these porous and nanoarchitectures are also associated with catalytic decomposition of electrolytes (Palacin et al.), morphological changes leading to loss of nanostructuring (Wu et al.), and higher first cycle capacity losses (Kasnatscheew et al.), etc. from the process, it is susceptible to degradation during electrochemical cycling.
フルセルにおけるナノ-LTO電極の使用によるもう1つの問題は、繰り返される充電及び放電サイクルの間のガス発生、及びそれに関連する膨張又は圧力増大である。これは、金属酸化物表面と有機電解質との間の不均一触媒作用から生じる(Heら;Lvら)。LTOにおける乏しいリチウムイオン及び電子の拡散を代償するのに必要とされる小さな粒径は、反応性の表面積を増大し、この問題を悪化させる。 Another problem with the use of nano-LTO electrodes in full cells is gassing and associated swelling or pressure build-up during repeated charge and discharge cycles. This results from heterogeneous catalysis between the metal oxide surface and the organic electrolyte (He et al.; Lv et al.). The small particle size needed to compensate for the poor lithium ion and electron diffusion in LTO increases the reactive surface area and exacerbates this problem.
急速な充電又はフルセルからの高出力供給はまた、カソードをアノードにマッチさせることを必要とする。LiFePO4は、有望な高速カソードとして使用されてきた(Zaghibら)。しかし、LiFePO4及びLTOは両方とも例外的にフラットな電圧プロファイルを有する。この組合せは、定電圧を提供するが、バッテリーマネジメントシステム(BMS)に関して、重大な難課題を提起する。簡潔且つ正確なBMSは、電気車両及びモバイル技術において、電池用途にとって決定的な因子であり、高速においては、有用性を最大化しながら、危険且つ分解性の過剰充(放)電を防止するために更により重要である。BMSは充電状態を測定する能力に依存し、測定は、電池が劣化し、且つ電子を消費する副反応が起こるので、電荷計測のみによって簡単には行うことはできない。 Rapid charging or high power delivery from a full cell also requires matching the cathode to the anode. LiFePO4 has been used as a promising high speed cathode (Zaghib et al.). However, both LiFePO4 and LTO have exceptionally flat voltage profiles. Although this combination provides constant voltage, it poses a significant challenge with respect to battery management systems (BMS). A simple and accurate BMS is a decisive factor for battery applications in electric vehicles and mobile technology, at high speeds to prevent dangerous and degradative overcharging (discharging) while maximizing utility. is even more important to BMS relies on the ability to measure the state of charge, which cannot be easily done by charge measurement alone, as the battery degrades and electron-consuming side reactions occur.
上記の難課題を考慮して、高速で作動する能力があるリチウムイオン電池のための新たな電極材料を提供する必要がある。 In view of the above challenges, there is a need to provide new electrode materials for lithium-ion batteries that are capable of operating at high speeds.
本発明は全般に、ニオブタングステン酸化物を含む電極、該電極を含む電気化学セル、及び例えば、リチウムイオン電池における、充電及び/又は放電時、5C以上の高Cレート、例えば10C以上での、該セルの使用を提供する。 The present invention relates generally to electrodes comprising niobium tungsten oxide, electrochemical cells comprising such electrodes, and e.g. A use of the cell is provided.
本発明者らは、極めて高い体積エネルギー密度及び非常に優れた充電及び放電速度が、高速リチウムイオン電池中にニオブタングステン酸化物を含む電極材料を用いて達成されうることを証明した。ニオブタングステン酸化物は、好ましいリチウム拡散特性を有し、したがって優れた性能を示す。Li+/Liに対して1.0V超で、SEIの形成が最小限であり、これはリチウムが電解質による副反応で失われることがないことを意味する。 The inventors have demonstrated that extremely high volumetric energy densities and excellent charge and discharge rates can be achieved using electrode materials containing niobium tungsten oxide in high speed lithium ion batteries. Niobium tungsten oxide has favorable lithium diffusion properties and thus exhibits superior performance. Above 1.0 V vs. Li + /Li, SEI formation is minimal, meaning that lithium is not lost to side reactions with the electrolyte.
加えて、ニオブタングステン酸化物を含む電極材料を用いた高速リチウムイオン電池は、1.3V超において作動することができる。(例えば、Nb16W5O55の平均電圧はLi+/Liに対して1.57Vであり、Nb18W16O93の平均電圧はLi+/Liに対して1.67Vである)。この電圧範囲において作動することは、初期形成サイクルを実行する必要性を打ち消し、電池製造工程を簡潔化する。グラファイト電極を含む典型的なリチウムイオン電池は、1.3V未満で作動し、電池が密封される前に初期形成サイクルを受けなければならない。典型的には、この形成サイクルは、脱ガスを起こさせるために、高温、例えば60℃、において行われる。これは、電池製造工程に相当の時間及びコストを加える。 In addition, high speed lithium ion batteries using electrode materials containing niobium tungsten oxide can operate above 1.3V. (For example, the average voltage of Nb 16 W 5 O 55 is 1.57 V vs. Li + /Li and the average voltage of Nb 18 W 16 O 93 is 1.67 V vs. Li + /Li). Operating in this voltage range negates the need to perform initial formation cycles and simplifies the battery manufacturing process. A typical lithium-ion battery containing graphite electrodes operates below 1.3 V and must undergo an initial formation cycle before the battery can be sealed. Typically, this forming cycle is performed at an elevated temperature, such as 60° C., to cause outgassing. This adds considerable time and cost to the battery manufacturing process.
更に、フルセルにおいて、例えば、LiFePO4に対して、標準的な市販の電解質において通常使用される、より有毒なLiPF6電解質塩に代わって、LiN(CF3SO2)2(LiTFSI)を使用することができる。更に、LiAl合金電位(Li+/Liに対して≦0.3V)を回避しながら、集電体として、より高価な銅の代わりにアルミニウムを用いることができる。 Furthermore, in full cells, for example, LiFePO4 , LiN( CF3SO2 ) 2 ( LiTFSI ) is used instead of the more toxic LiPF6 electrolyte salt normally used in standard commercial electrolytes. be able to. Furthermore, aluminum can be used as a current collector instead of the more expensive copper while avoiding the LiAl alloy potential (≤0.3 V vs. Li + /Li).
電極材料としてのニオブタングステン酸化物の使用は、例えば高速リチウム電池において、充電状態の尺度として開路電圧が使用されることを可能にする。これは、簡潔且つ信頼できるBMSを提供する可能性を有し、高出力/高速充電用途にとって大きな利点であることを証明する可能性がある。 The use of niobium tungsten oxide as an electrode material allows open circuit voltage to be used as a measure of state of charge, for example in high speed lithium batteries. This has the potential to provide a simple and reliable BMS and may prove to be a great advantage for high power/fast charging applications.
本発明の第一の態様において、電気化学セルを少なくとも5C、例えば少なくとも10CのCレートで充電及び/又は放電する方法であって、電気化学セルが、ニオブタングステン酸化物を含む作用電極を有する、方法が提供される。 In a first aspect of the invention, a method of charging and/or discharging an electrochemical cell at a C-rate of at least 5C, such as at least 10C, the electrochemical cell having a working electrode comprising niobium tungsten oxide, A method is provided.
電気化学セルは、対向電極及び電解質を含んでもよく、任意選択で電極は、電源と接続可能であるか又は接続されている。 An electrochemical cell may include a counter-electrode and an electrolyte, optionally the electrodes are connectable or connected to a power source.
方法は、少なくとも750mA・g-1、例えば少なくとも800mA・g-1の電流密度で、電気化学セルを充電及び/又は放電する方法であってもよい。 The method may be a method of charging and/or discharging the electrochemical cell at a current density of at least 750 mA·g −1 , such as at least 800 mA·g −1 .
方法は、電気化学セルを充電及び放電するか、又は放電及び充電するサイクルを含んでもよく、方法は、2サイクル以上、5サイクル以上、10サイクル以上、50サイクル以上、100サイクル以上、500サイクル以上、1000サイクル以上、又は2000サイクル以上を含んでもよい。 The method may comprise cycling the electrochemical cell to charge and discharge or discharge and charge, the method comprising 2 cycles or more, 5 cycles or more, 10 cycles or more, 50 cycles or more, 100 cycles or more, 500 cycles or more. , 1000 cycles or more, or 2000 cycles or more.
一実施形態において、作用電極は多孔質構造も階層構造も有さない。 In one embodiment, the working electrode does not have a porous structure or a hierarchical structure.
作用電極は、粒子形態のニオブタングステン酸化物を含んでもよい。例えば、ニオブタングステン酸化物は、少なくとも1μmの一次粒径を有してもよい。 The working electrode may comprise niobium tungsten oxide in particulate form. For example, niobium tungsten oxide may have a primary grain size of at least 1 μm.
粒子状ニオブタングステン酸化物のより小さな表面積は、ナノ-LTO電極で観察される副反応を低減し、且つガス発生及びそれに関連する膨張又は圧力増大の問題を緩和する。更に、粒子状ニオブタングステン酸化物は、固体状態合成を用いて迅速且つ容易に調製することができる。 The smaller surface area of particulate niobium tungsten oxide reduces side reactions observed with nano-LTO electrodes and alleviates gassing and associated swelling or pressure build-up problems. Furthermore, particulate niobium tungsten oxide can be prepared quickly and easily using solid state synthesis.
作用電極は、298Kにおいて10-14m2・s-1未満、例えば、298Kにおいて10-15m2・s-1未満の固体状態リチウム拡散係数(DLi)を有してもよい。 The working electrode may have a solid-state lithium diffusion coefficient (D Li ) of less than 10 −14 m 2 ·s −1 at 298K, such as less than 10 −15 m 2 ·s −1 at 298K.
好ましいリチウム拡散特性は、ニオブタングステン酸化物のマイクロメートルサイズの粒子が、極めて高速で使用されることを可能にする。 Favorable lithium diffusion properties allow micrometer-sized particles of niobium tungsten oxide to be used at extremely high speeds.
作用電極は、20Cで50mA・h・g-1の容量を有してもよい。例えば、20Cで75mA・h・g-1又は60Cで50mA・h・g-1である。 The working electrode may have a capacity of 50 mA·h·g −1 at 20C. For example, 75 mA·h·g −1 at 20C or 50 mA·h·g −1 at 60C.
作用電極におけるNb2O5とWO3のモル比は、6:1から1:15であってもよい。例えば、8:5から11:20。 The molar ratio of Nb2O5 and WO3 in the working electrode may be from 6:1 to 1:15 . For example, from 8:5 to 11:20.
作用電極は、Nb12WO33、Nb26W4O77、Nb14W3O44、Nb16W5O55、Nb18W8O69、Nb2WO8、Nb18W16O93、Nb22W20O115、Nb8W9O47、Nb54W82O381、Nb20W31O143、Nb4W7O31、又はNb2W15O50から成る群から選択されるニオブタングステン酸化物を含んでもよい。例えば、Nb16W5O55、Nb18W8O69、Nb2WO8、Nb18W16O93、又はNb22W20O115。 The working electrode was Nb12WO33 , Nb26W4O77 , Nb14W3O44 , Nb16W5O55 , Nb18W8O69 , Nb2WO8 , Nb18W16O93 , Nb Niobium tungsten selected from the group consisting of 22W20O115 , Nb8W9O47 , Nb54W82O381 , Nb20W31O143 , Nb4W7O31 , or Nb2W15O50 It may contain an oxide. For example , Nb16W5O55 , Nb18W8O69 , Nb2WO8 , Nb18W16O93 , or Nb22W20O115 .
更に、作用電極は、ニオブタングステン酸化物と追加の活物質の混合物を含んでもよい。例えば、作用電極は、ニオブタングステン酸化物とLTOの混合物を含んでもよい。ニオブタングステン酸化物とLTOの比は、質量比で95:5から5:95であってもよい。例えば、比は、質量比で90:10から10:90、質量比で80:20から20:80、質量比で70:30から30:70、質量比で60:40から40:60であってもよく、或いはニオブタングステン酸化物とLTOの比は、質量比で1:1であってもよい。 Additionally, the working electrode may comprise a mixture of niobium tungsten oxide and an additional active material. For example, the working electrode may comprise a mixture of niobium tungsten oxide and LTO. The ratio of niobium tungsten oxide to LTO may be from 95:5 to 5:95 by weight. For example, the ratios are 90:10 to 10:90 by weight, 80:20 to 20:80 by weight, 70:30 to 30:70 by weight, 60:40 to 40:60 by weight. Alternatively, the ratio of niobium tungsten oxide to LTO may be 1:1 by weight.
本発明の更なる態様において、ニオブタングステン酸化物を含む、作用電極とも称される電極であって、例えば電極中のNb2O5とWO3のモル比が8:5から11:20である、電極が提供される。作用電極は、リチウムイオン電池における使用に適する。 In a further aspect of the invention, an electrode, also called working electrode, comprising niobium tungsten oxide, wherein for example the molar ratio of Nb 2 O 5 and WO 3 in the electrode is from 8:5 to 11:20 , electrodes are provided. The working electrode is suitable for use in lithium ion batteries.
作用電極は、Nb16W5O55、Nb18W8O69、Nb2WO8、Nb18W16O93、又はNb22W20O115から選択されるニオブタングステン酸化物を含んでもよい。例えばNb16W5O55又はNb18W16O93である。 The working electrode may comprise a niobium tungsten oxide selected from Nb16W5O55 , Nb18W8O69 , Nb2WO8 , Nb18W16O93 , or Nb22W20O115 . For example Nb 16 W 5 O 55 or Nb 18 W 16 O 93 .
一実施形態において、作用電極は、多孔質構造も階層構造も有さない。 In one embodiment, the working electrode does not have a porous structure or a hierarchical structure.
作用電極は、粒子形態のニオブタングステン酸化物を含んでもよい。例えば、ニオブタングステン酸化物は、少なくとも1μmの一次粒径を有してもよい。 The working electrode may comprise niobium tungsten oxide in particulate form. For example, niobium tungsten oxide may have a primary grain size of at least 1 μm.
更に、作用電極は、ニオブタングステン酸化物と追加の活物質の混合物を含んでもよい。例えば、作用電極は、ニオブタングステン酸化物とLTOの混合物を含んでもよい。ニオブタングステン酸化物とLTOの比は、質量比で95:5から5:95であってもよい。例えば、比は、質量比で90:10から10:90、質量比で80:20から20:80、質量比で70:30から30:70、質量比で60:40から40:60であってもよく、或いはニオブタングステン酸化物とLTOの比は、質量比で1:1であってもよい。 Additionally, the working electrode may comprise a mixture of niobium tungsten oxide and an additional active material. For example, the working electrode may comprise a mixture of niobium tungsten oxide and LTO. The ratio of niobium tungsten oxide to LTO may be from 95:5 to 5:95 by weight. For example, the ratios are 90:10 to 10:90 by weight, 80:20 to 20:80 by weight, 70:30 to 30:70 by weight, 60:40 to 40:60 by weight. Alternatively, the ratio of niobium tungsten oxide to LTO may be 1:1 by weight.
本発明の更なる態様において、本発明の作用電極を含む電気化学セルが提供される。 In a further aspect of the invention there is provided an electrochemical cell comprising the working electrode of the invention.
本発明の更なる態様において、1つ又は複数の本発明の電気化学セルを含むリチウムイオン電池が提供される。複数のセルが存在する場合、セルは直列又は並列で提供されてもよい。 In a further aspect of the invention there is provided a lithium ion battery comprising one or more electrochemical cells of the invention. When multiple cells are present, the cells may be provided in series or parallel.
本発明の更なる態様において、例えば、セルが少なくとも5C、例えば少なくとも10CのCレートで作動される、高速電気化学セル中にニオブタングステン酸化物を含む作用電極の使用を提供する。 In a further aspect of the invention there is provided the use of a working electrode comprising niobium tungsten oxide in a fast electrochemical cell, for example where the cell is operated at a C-rate of at least 5C, such as at least 10C.
本発明の更なる態様において、電気化学セルを少なくとも5C、例えば少なくとも10CのCレートで充電及び/又は放電する方法であって、電気化学セルが、ニオブモリブデン酸化物を含む作用電極を有する、方法が提供される。 In a further aspect of the invention, a method of charging and/or discharging an electrochemical cell at a C-rate of at least 5C, such as at least 10C, wherein the electrochemical cell has a working electrode comprising niobium molybdenum oxide. is provided.
本発明者らは、高いエネルギー密度及び素晴らしい速度が、高速リチウムイオン電池中にニオブモリブデン酸化物を含む電極材料を用いて達成されうることを見出した。ニオブモリブデン酸化物は、通常の高速アノード材料に比べ、より高い平均電圧を示し、したがって電解質との作用が回避されるか又は最小限にされる。 The inventors have found that high energy densities and excellent speeds can be achieved using electrode materials comprising niobium molybdenum oxide in high speed lithium ion batteries. Niobium molybdenum oxide exhibits a higher average voltage than typical high speed anode materials, thus avoiding or minimizing interaction with the electrolyte.
本発明の更なる態様において、ニオブモリブデン酸化物を含む、作用電極とも称される電極であって、例えば、電極中のNb2O5とMoO3のモル比が6:1から1:3、例えば1:3である、電極が提供される。作用電極は、リチウムイオン電池における使用に適する。 In a further aspect of the invention, an electrode, also referred to as working electrode, comprising niobium molybdenum oxide, wherein, for example, the molar ratio of Nb2O5 and MoO3 in the electrode is from 6:1 to 1:3, Electrodes are provided, for example 1:3. The working electrode is suitable for use in lithium ion batteries.
作用電極は、Nb2Mo3O14、Nb14Mo3O44、又はNb12MoO44から選択されるニオブモリブデン酸化物を含んでもよい。例えば、Nb2Mo3O14である。 The working electrode may comprise a niobium molybdenum oxide selected from Nb2Mo3O14 , Nb14Mo3O44 , or Nb12MoO44 . For example, Nb2Mo3O14 .
以下、本発明のこれらの及び他の態様及び実施形態をより詳細に説明する。 These and other aspects and embodiments of the invention are described in greater detail below.
本発明は全般に、ニオブタングステン酸化物を含む電極、該電極を含む電気化学セル、及び例えば、リチウムイオン電池における、充電及び/又は放電時の5Cの高Cレートでの、該セルの使用を提供する。 The present invention relates generally to electrodes comprising niobium tungsten oxide, electrochemical cells comprising such electrodes, and the use of such cells at high C-rates of 5 C during charge and/or discharge, for example in lithium ion batteries. offer.
Nb16W5O55の調製は、とりわけ、Roth及びWadsleyによって、以前に記載されている。Nb18W16O93の調製は、とりわけ、Stephensenによって、以前に記載されている。しかし、Nb16W5O55及びNb18W16O93の電気化学的特性は、これら文書には記載されていない。 The preparation of Nb 16 W 5 O 55 has been previously described, inter alia, by Roth and Wadsley. The preparation of Nb 18 W 16 O 93 has been previously described, inter alia, by Stephensen. However, the electrochemical properties of Nb 16 W 5 O 55 and Nb 18 W 16 O 93 are not described in these documents.
Nb8W9O47(Montemayorら);Nb26W4O77(Fuentesら);Nb14W3O44(Fuentesら);及び式中、0≦x≦0.25であるNbxW1-xO3-x/2(Yamadaら)、を含む電極は、以前に記載されている。しかし、Cレートに対する材料の容量は、測定されていなかった。 Nb8W9O47 ( Montemayor et al . ) ; Nb26W4O77 ( Fuentes et al . ); Nb14W3O44 (Fuentes et al . ) ; -x O 3-x/2 (Yamada et al.), has been previously described. However, the material's capacity to C-rate was not measured.
式中、1≦x≦6であるNb8-xW9-xO47を含む電極は、Cruzらによって記載されている。しかし、該電極を含む電気化学セルは、限定された条件下で使用され、高速条件下でのセル作動の開示はない。更に、著者らは、マトリックス-ホストにおける不可逆的構造変換が最初のサイクル後に容量損失をもたらすことを報告している。 Electrodes comprising Nb 8-x W 9-x O 47 where 1≦x≦6 have been described by Cruz et al. However, electrochemical cells containing such electrodes have been used under limited conditions and there is no disclosure of cell operation under high speed conditions. Furthermore, the authors report that irreversible structural transformations in matrix-host lead to capacity loss after the first cycle.
Nb12WO33を含む電極は、Sarithaら及びYanらによって記載されている。Yanらは、エレクトロスパンNb12WO33電極を含む電気化学セルを700mA・g-1の最大電流密度(3.6CのCレートに相当)で試験している。Sarithaらは、Nb12WO33を含む電気化学セルを20C以下の報告されたCレートで試験している。 Electrodes comprising Nb 12 WO 33 have been described by Saritha et al. and Yan et al. Yan et al. tested an electrochemical cell containing electrospun Nb 12 WO 33 electrodes at a maximum current density of 700 mA·g −1 (corresponding to a C-rate of 3.6 C). Saritha et al. have tested electrochemical cells containing Nb 12 WO 33 at reported C-rates of 20C or less.
しかし、Sarithaらは明らかに、Cレートを、1時間での1つのリチウムイオンの反応(すなわち、脱離又は挿入)と定義している。これは、化学式単位当たり1電子移動に相当する。したがって、Sarithaらにより報告されたNb12WO33に対する20Cレートは、本研究において定義された決まりを用いた1.54Cに相当する(294mA・g-1に相当)。 However, Saritha et al. clearly define the C-rate as the reaction (ie, desorption or insertion) of one lithium ion in one hour. This corresponds to one electron transfer per chemical formula unit. Therefore, the 20C rate for Nb 12 WO 33 reported by Saritha et al .
本発明者らは、好ましいリチウムイオン拡散特性を有し、したがってミクロンサイズの粒子によってでさえも優れた性能を発揮する、ニオブタングステン酸化物を含む電極を開発した。該電極は、高速の充電及び放電において極めて高い体積エネルギー密度及び高容量を示す。 The inventors have developed an electrode comprising niobium tungsten oxide that has favorable lithium ion diffusion properties and thus provides excellent performance even with micron-sized particles. The electrodes exhibit extremely high volumetric energy densities and high capacities at fast charge and discharge rates.
本明細書に記載の電圧値は、当技術分野において一般的であるように、Li+/Liに対してなされる。 Voltage values described herein are made relative to Li + /Li, as is common in the art.
Cレートは、電池がその最大容量に対して放電される速度の尺度である。Cレートは、規定された理論容量に到達するための時間数の逆数として定義することができ、例えば、10Cは6分の放電又は充電時間に相当する。本研究において、Cレートは、遷移金属当たり1電子移動に対して定義され、例えば、Nb16W5O55に関して、1C=171.3mA・h・g-1、20C=3426mA・h・g-1である。理論容量は以下により計算される: C-rate is a measure of the rate at which a battery is discharged to its maximum capacity. C-rate can be defined as the reciprocal of the number of hours to reach a specified theoretical capacity, eg, 10C corresponds to 6 minutes of discharge or charge time. In this work, the C-rate is defined for one electron transfer per transition metal , e.g. 1 . Theoretical capacity is calculated by:
式中、nは、化学式単位当たりの電子移動の数であり、Fはファラデー定数であり、3.6はクーロンと通常のmA・h・g-1との間の変換係数、及びmは化学式単位当たりの質量である。したがって、1Cレートは、1時間にNb16W5O55の化学式単位当たり21個のリチウムイオンの反応(すなわち、挿入又は脱離)に相当し、これはこの材料が、化学式単位当たり21個の遷移金属を含むからである。 where n is the number of electron transfers per chemical formula unit, F is the Faraday constant, 3.6 is the conversion factor between coulombs and normal mA·h·g −1 , and m is the chemical formula Mass per unit. Therefore, a 1C rate corresponds to the reaction (i.e., insertion or removal) of 21 lithium ions per chemical formula unit of Nb 16 W 5 O 55 per hour, which means that this material can produce 21 lithium ions per chemical formula unit. This is because it contains a transition metal.
高速用途はまた、例えば、電流密度が少なくとも800mA・g-1又は1000mA・g-1である、(重量)電流密度に関連付けることにより、記載されてもよい。電流密度は、以下によりCレートと関連付けられる: High speed applications may also be described, for example, by relating to (weight) current densities where the current density is at least 800 mA·g −1 or 1000 mA·g −1 . Current density is related to C-rate by:
したがって、本研究において定義された決まりを用いて、Nb16W5O55に関して、800mA・g-1の電流密度は、4.67CのCレートに相当し、Nb18W16O93に関して、800mA・g-1の電流密度は、5.36CのCレートに相当する。 Thus, using the conventions defined in this study, a current density of 800 mA·g −1 corresponds to a C-rate of 4.67 C for Nb 16 W 5 O 55 and 800 mA for Nb 18 W 16 O 93 . • A current density of g −1 corresponds to a C-rate of 5.36C.
全ての(重量)容量は、活性電極材料の質量に基づき、見積もられる。 All (weight) capacities are quoted based on the mass of the active electrode material.
作用電極
本発明は、ニオブタングステン酸化物を含む作用電極を提供する。作用電極は、導電性であり、且つ例えば、電気化学セル内で、対向電極と電気的に接続可能である。
Working Electrode The present invention provides a working electrode comprising niobium tungsten oxide. The working electrode is electrically conductive and can be electrically connected to a counter electrode, eg, in an electrochemical cell.
作用電極は、例えばリチウムイオン電池において、放電ステップの間、アノード又はカソードであってもよい。典型的には、作用電極は、放電ステップの間、アノードである。 The working electrode may be the anode or the cathode during the discharge step, for example in a lithium ion battery. Typically the working electrode is the anode during the discharge step.
典型的には、方法において使用される作用電極は、6:1から1:15のNb2O5とWO3のモル比を含む。好ましくは、作用電極におけるNb2O5とWO3のモル比は、8:5から11:20である。 Typically, the working electrode used in the method contains a molar ratio of Nb 2 O 5 and WO 3 from 6:1 to 1:15. Preferably, the molar ratio of Nb2O5 and WO3 in the working electrode is from 8:5 to 11:20.
典型的には、方法において使用される作用電極は、Nb12WO33、Nb26W4O77、Nb14W3O44、Nb16W5O55、Nb18W8O69、Nb2WO8、Nb18W16O93、Nb22W20O115、Nb8W9O47、Nb54W82O381、Nb20W31O143、Nb4W7O31、若しくはNb2W15O50、又はこれらの組合せから選択されるニオブタングステン酸化物を含む。好ましくは、作用電極は、Nb16W5O55、Nb18W8O69、Nb2WO8、Nb18W16O93、若しくはNb22W20O115、又はこれらの組合せを含む。 Typically, the working electrode used in the method is Nb12WO33 , Nb26W4O77 , Nb14W3O44 , Nb16W5O55 , Nb18W8O69 , Nb2WO 8 , Nb18W16O93 , Nb22W20O115 , Nb8W9O47 , Nb54W82O381 , Nb20W31O143 , Nb4W7O31 , or Nb2W15O _ _ _ _ _ 50 , or a niobium tungsten oxide selected from combinations thereof. Preferably , the working electrode comprises Nb16W5O55 , Nb18W8O69 , Nb2WO8 , Nb18W16O93 , or Nb22W20O115 , or combinations thereof .
典型的には、作用電極におけるNb2O5とWO3のモル比は、8:5から11:20である。好ましくは、作用電極におけるNb2O5とWO3のモル比は、8:5又は9:16である。 Typically, the molar ratio of Nb 2 O 5 and WO 3 in the working electrode is 8:5 to 11:20. Preferably, the molar ratio of Nb2O5 and WO3 in the working electrode is 8:5 or 9:16.
典型的には、作用電極は、Nb16W5O55、Nb18W8O69、Nb2WO8、Nb18W16O93、若しくはNb22W20O115、又はこれらの組合せを含む。好ましくは、作用電極は、Nb16W5O55若しくはNb18W16O93、又はこれらの組合せを含む。 Typically , the working electrode comprises Nb16W5O55 , Nb18W8O69 , Nb2WO8 , Nb18W16O93 , or Nb22W20O115 , or combinations thereof . Preferably, the working electrode comprises Nb16W5O55 or Nb18W16O93 , or a combination thereof .
任意選択で、作用電極は、ニオブタングステン酸化物と追加の活物質の混合物を含む。追加の活物質は、追加の金属酸化物であってもよい。例えば、作用電極は、ニオブタングステン酸化物と、チタン酸リチウム(LTO; Li4Ti5O12)、チタンニオブ酸化物(例えば、TiNb2O7)、チタンタンタル酸化物(例えば、TiTa2O7)、タンタルモリブデン酸化物(例えば、Ta8W9O47)、及びニオブモリブデン酸化物(例えば、Nb2Mo3O14)から選択される追加の活物質との混合物を含んでもよい。 Optionally, the working electrode comprises a mixture of niobium tungsten oxide and additional active material. The additional active material may be an additional metal oxide. For example, the working electrode can be niobium tungsten oxide, lithium titanate ( LTO; Li4Ti5O12), titanium niobium oxide (e.g. TiNb2O7 ) , titanium tantalum oxide ( e.g. TiTa2O7 ). , tantalum molybdenum oxide (eg Ta 8 W 9 O 47 ), and niobium molybdenum oxide (eg Nb 2 Mo 3 O 14 ).
グラファイトもまた、追加の活物質として使用されてもよい。ニオブタングステン酸化物とグラファイトの混合物を含む作用電極は、上に概説した有益な特性を維持しながら、製造するのにより安価である。 Graphite may also be used as an additional active material. A working electrode comprising a mixture of niobium tungsten oxide and graphite is less expensive to manufacture while maintaining the beneficial properties outlined above.
好ましくは、作用電極は、ニオブタングステン酸化物とLTOの混合物を含む。ニオブタングステン酸化物とLTOの比は、質量比で95:5から5:95であってもよい。例えば、比は、質量比で90:10から10:90、質量比で80:20から20:80、質量比で70:30から30:70、質量比で60:40から40:60であってもよく、或いはニオブタングステン酸化物とLTOの比は、質量比で1:1であってもよい。 Preferably, the working electrode comprises a mixture of niobium tungsten oxide and LTO. The ratio of niobium tungsten oxide to LTO may be from 95:5 to 5:95 by weight. For example, the ratios are 90:10 to 10:90 by weight, 80:20 to 20:80 by weight, 70:30 to 30:70 by weight, 60:40 to 40:60 by weight. Alternatively, the ratio of niobium tungsten oxide to LTO may be 1:1 by weight.
好ましくは、作用電極は、ニオブタングステン酸化物及び追加の活物質から本質的に成る。例えば、作用電極は、ニオブタングステン酸化物とLTOの混合物から本質的に成る。 Preferably, the working electrode consists essentially of niobium tungsten oxide and an additional active material. For example, the working electrode consists essentially of a mixture of niobium tungsten oxide and LTO.
典型的には、作用電極は、多孔質構造も階層構造も有さない。例えば、電極材料は、20m2・g-1未満、10m2・g-1未満、5m2・g-1未満、3m2・g-1未満、2m2・g-1未満、又は1m2・g-1未満の比表面積を有してもよい。
Typically, the working electrode does not have a porous or hierarchical structure. For example, the electrode material may be less than 20 m 2 ·g −1 , less than 10 m 2 ·g −1 , less than 5 m 2 ·g −1 , less than 3 m 2 ·g −1 , less than 2 m 2 ·g −1 , or 1
電極材料の比表面積は、既知であってもよく、或いはN2吸着等温線解析及びBrunauer-Emmett-Teller(BET)理論等の、標準的手法を用いて決定されてもよい。 The specific surface area of the electrode material may be known or determined using standard techniques such as N 2 adsorption isotherm analysis and Brunauer-Emmett-Teller (BET) theory.
別法として、作用電極は、多孔質構造を有してもよい。例えば、作用電極は、少なくとも50m2・g-1、少なくとも60m2・g-1、70m2・g-1、80m2・g-1、90m2・g-1、100m2・g-1、150m2・g-1、200m2・g-1、300m2・g-1、又は400m2・g-1の比表面積を有してもよい。 Alternatively, the working electrode may have a porous structure. For example, the working electrode may be at least 50 m 2 ·g −1 , at least 60 m 2 ·g −1 , 70 m 2 ·g −1 , 80 m 2 ·g −1 , 90 m 2 ·g −1 , 100 m 2 ·g −1 , It may have a specific surface area of 150 m 2 ·g −1 , 200 m 2 ·g −1 , 300 m 2 ·g −1 , or 400 m 2 ·g −1 .
作用電極は、少なくとも0.1cm3・g-1、少なくとも0.2cm3・g-1、少なくとも0.4cm3・g-1、少なくとも0.5cm3・g-1、少なくとも0.7cm3・g-1、少なくとも0.8cm3・g-1、少なくとも0.9cm3・g-1、少なくとも1.0cm3・g-1、少なくとも1.5cm3・g-1、又は少なくとも2.0cm3・g-1の細孔容積を有してもよい。 The working electrode is at least 0.1 cm 3 ·g −1 , at least 0.2 cm 3 ·g −1 , at least 0.4 cm 3 ·g −1 , at least 0.5 cm 3 ·g −1 , at least 0.7 cm 3 · g −1 . g −1 , at least 0.8 cm 3 ·g −1 , at least 0.9 cm 3 ·g −1 , at least 1.0 cm 3 ·g −1 , at least 1.5 cm 3 ·g −1 , or at least 2.0 cm 3 • May have a pore volume of g −1 .
電極材料の細孔容積は、既知であってもよく、或いはN2吸着等温線解析及びBarrett-Joyner-Halenda(BJH)理論等の、標準的手法を用いて決定されてもよい。 The pore volume of the electrode material may be known or determined using standard techniques such as N 2 adsorption isotherm analysis and Barrett-Joyner-Halenda (BJH) theory.
多孔質作用電極は、少なくとも1nm、少なくとも5nm、少なくとも10nm、少なくとも20nm、少なくとも30nm、少なくとも40nm、少なくとも50nm、又は少なくとも100nmの平均細孔サイズ(最大断面)を有してもよい。 The porous working electrode may have an average pore size (largest cross section) of at least 1 nm, at least 5 nm, at least 10 nm, at least 20 nm, at least 30 nm, at least 40 nm, at least 50 nm, or at least 100 nm.
多孔質作用電極は、マクロ多孔質構造を有してもよい。したがって、多孔質作用電極は、少なくとも200nm、少なくとも500nm、少なくとも1μm、又は少なくとも5μmの最大断面を有する細孔を含んでもよい。 The porous working electrode may have a macroporous structure. Accordingly, a porous working electrode may comprise pores having a maximum cross-section of at least 200 nm, at least 500 nm, at least 1 μm, or at least 5 μm.
電極材料の細孔サイズは、既知であってもよく、或いは走査電子顕微鏡法(SEM)等の標準的手法を用いて決定されてもよい。 The pore size of the electrode material may be known or determined using standard techniques such as scanning electron microscopy (SEM).
作用電極は、多孔質還元グラフェン酸化物等の、多孔質炭素を更に含んでもよい。 The working electrode may further comprise porous carbon, such as porous reduced graphene oxide.
多孔質炭素を含む電極は一般に、軽量及び導電性であり、且つより大きな細孔容積を提供することができ、これはリチウムイオン及び電子の活物質への急速な輸送を可能にすることができる。これらはまた、作用装置の電気化学容量を増大することもある。 Electrodes comprising porous carbon are generally lightweight and conductive, and can provide larger pore volumes, which can allow rapid transport of lithium ions and electrons into the active material. . They may also increase the electrochemical capacity of the working device.
作用電極は、還元グラフェン酸化物、ケッチェンブラック又はSuper P炭素を更に含んでもよい。 The working electrode may further comprise reduced graphene oxide, Ketjenblack or Super P carbon.
別法として、作用電極は、階層構造を有してもよい。例えば、作用電極は、階層還元グラフェン酸化物(rGO)を更に含んでもよい。 Alternatively, the working electrode may have a hierarchical structure. For example, the working electrode may further comprise hierarchically reduced graphene oxide (rGO).
典型的には、作用電極は、粒子形態のニオブタングステン酸化物を含む。作用電極のニオブタングステン酸化物粒子のサイズは、既知であってもよく、或いはSEM等の標準的手法を用いて決定されてもよい。 Typically, the working electrode comprises niobium tungsten oxide in particulate form. The size of the niobium tungsten oxide particles of the working electrode may be known or determined using standard techniques such as SEM.
典型的には、作用電極のニオブタングステン酸化物粒子は少なくとも1μmの一次粒径を有する。一次粒径は、個々の結晶子のサイズである。一次粒径は、粒子系において認識可能な最小の下位区分である。例えば、ニオブタングステン酸化物粒子は、少なくとも2μm、3μm、4μm、5μm、又は10μmの一次粒径を有する。 Typically, the niobium tungsten oxide particles of the working electrode have a primary particle size of at least 1 μm. Primary particle size is the size of an individual crystallite. Primary particle size is the smallest recognizable subdivision in a particle system. For example, niobium tungsten oxide particles have a primary particle size of at least 2 μm, 3 μm, 4 μm, 5 μm, or 10 μm.
個々のニオブタングステン酸化物粒子は、集塊して二次粒子を形成することがある。典型的には、ニオブタングステン酸化物粒子は、少なくとも5μmの集塊(二次)粒径を有する。より好ましくは、ニオブタングステン酸化物は、少なくとも10μm、15μm、20μm、25μm、又は30μmの集塊粒径を有する。 Individual niobium tungsten oxide particles may agglomerate to form secondary particles. Typically the niobium tungsten oxide particles have an agglomerate (secondary) particle size of at least 5 μm. More preferably, the niobium tungsten oxide has an agglomerate particle size of at least 10 μm, 15 μm, 20 μm, 25 μm, or 30 μm.
追加の活物質は、存在する場合、粒子形態であってもよい。追加の活物質粒子のサイズは、既知であってもよく、或いはSEM等の標準的手法を用いて決定されてもよい。 Additional active material, if present, may be in particulate form. The size of the additional active material particles may be known or determined using standard techniques such as SEM.
好ましくは、追加の活物質粒子は、1μm以下の一次粒径を有する。例えば、追加の活物質粒子は、800nm以下、750nm以下、700nm以下、600nm以下、500nm以下、400nm以下、300nm以下、200nm以下、又は150nm以下の一次粒径を有する。粒子状チタン酸リチウムは、典型的に、この範囲内の粒径を有する。 Preferably, the additional active material particles have a primary particle size of 1 μm or less. For example, the additional active material particles have a primary particle size of 800 nm or less, 750 nm or less, 700 nm or less, 600 nm or less, 500 nm or less, 400 nm or less, 300 nm or less, 200 nm or less, or 150 nm or less. Particulate lithium titanate typically has a particle size within this range.
ニオブタングステン酸化物と上記範囲内の粒径を有する追加の活物質の混合物を含む電極は、非常に高Cレートで且つ非常に高電荷密度で、充電及び放電することができる。 Electrodes containing mixtures of niobium tungsten oxide and additional active materials having particle sizes within the above ranges can be charged and discharged with very high C-rates and very high charge densities.
作用電極における導電性を改善するために、導電性炭素材料(例えば、カーボンブラック、グラファイト、ナノ粒子状炭素粉末、炭素繊維及び/又はカーボンナノチューブ)が典型的に、作用電極材料と混合される。別法として、導電性炭素材料は、作用電極材料上に被覆されてもよい。一実施形態において、作用電極は、多孔質炭素、例えば、より大きなニオブ酸化物粒子を覆う可能性がある多孔質還元グラフェン酸化物を含む。 Conductive carbon materials (eg, carbon black, graphite, nanoparticulate carbon powder, carbon fibers and/or carbon nanotubes) are typically mixed with the working electrode material to improve conductivity in the working electrode. Alternatively, a conductive carbon material may be coated onto the working electrode material. In one embodiment, the working electrode comprises porous carbon, eg, porous reduced graphene oxide, which may cover larger niobium oxide particles.
典型的には、作用電極は、1~5質量%のバインダーを含む。 Typically, the working electrode contains 1-5% by weight binder.
電極は、ニオブタングステン酸化物から本質的に成る。 The electrodes consist essentially of niobium tungsten oxide.
別法として、作用電極は、バインダー又は接着剤と混合される。バインダー又は接着剤のいくつかの例は、PVDF、PTFE、CMC、PAA、PMMA、PEO、SBR、及びこれらのコポリマーを含む。 Alternatively, the working electrode is mixed with a binder or adhesive. Some examples of binders or adhesives include PVDF, PTFE, CMC, PAA, PMMA, PEO, SBR, and copolymers thereof.
作用電極は、典型的に、集電体、例えば、プレートの形態であってもよい銅又はアルミニウムコレクタに固定される。 The working electrode is typically fixed to a current collector, for example a copper or aluminum collector, which may be in the form of a plate.
発明者らは、2032タイプのコイン型電池形状において、リチウム対向電極に対し、2~3mg・cm2の活物質負荷及び1.27cm2の電極面積をもち、活物質/炭素/バインダーが8:1:1の標準的電極構成を用いて、且つ電解質として、炭酸エチレン/炭酸ジメチル中1.0M LiPF6を用いて、粒子状ニオブタングステン酸化物を含む作用電極を評価した。 The inventors found that in a 2032 type coin cell configuration with an active material loading of 2-3 mg·cm 2 and an electrode area of 1.27 cm 2 for a lithium counter electrode, an active material/carbon/binder ratio of 8: A working electrode comprising particulate niobium tungsten oxide was evaluated using a standard electrode configuration of 1:1 and using 1.0 M LiPF 6 in ethylene carbonate/dimethyl carbonate as the electrolyte.
これらの条件下で、発明者らは、ニオブタングステン酸化物を含む作用電極は、1000サイクルに対し10Cで最大150mA・h・g-1を、750サイクルに対し20Cで最大125mA・h・g-1を維持できることを見出した。 Under these conditions, we found that working electrodes containing niobium tungsten oxide produced up to 150 mA·h·g −1 at 10 C for 1000 cycles and up to 125 mA·h·g −1 at 20 C for 750 cycles . 1 can be maintained.
加えて、発明者らは、ニオブタングステン酸化物を含む作用電極が、フラットというよりはむしろ傾斜のある電圧プロファイルを有することを見出した。 Additionally, the inventors have found that a working electrode comprising niobium tungsten oxide has a voltage profile that is sloped rather than flat.
発明者らは、パルス磁場勾配NMR(PFG NMR)及び定電流間欠滴定法(GITT)の両方を用いてニオブタングステン酸化物内での固体状態リチウム拡散を評価した。発明者らは、ニオブタングステン酸化物が、298Kにおいて10-13から10-12m2・s-1の固体状態リチウム拡散係数(DLi)を有することを見出した。これは、1分間の放電に対して約10μmの特性拡散長に相当する。 We have evaluated solid-state lithium diffusion in niobium tungsten oxide using both pulsed field gradient NMR (PFG NMR) and galvanostatic intermittent titration (GITT). The inventors have found that niobium tungsten oxide has a solid-state lithium diffusion coefficient (D Li ) of 10 −13 to 10 −12 m 2 ·s −1 at 298K. This corresponds to a characteristic diffusion length of about 10 μm for 1 minute of discharge.
本発明はまた、ニオブモリブデン酸化物を含む作用電極をも提供する。作用電極は、導電性であり、且つ例えば、電気化学セル内で、対向電極と電気的に接続可能である。 The present invention also provides working electrodes comprising niobium molybdenum oxide. The working electrode is electrically conductive and can be electrically connected to a counter electrode, eg, in an electrochemical cell.
作用電極は、例えばリチウムイオン電池において、放電ステップの間、アノード又はカソードであってもよい。典型的には、作用電極は、放電ステップの間、アノードである。 The working electrode may be the anode or the cathode during the discharge step, for example in a lithium ion battery. Typically the working electrode is the anode during the discharge step.
典型的には、方法において使用される作用電極は、6:1から1:3までのNb2O5とMoO3のモル比を含む。好ましくは、作用電極におけるNb2O5とMoO3のモル比は、1:3である。 Typically, the working electrode used in the method contains a molar ratio of Nb2O5 and MoO3 from 6 : 1 to 1:3. Preferably, the molar ratio of Nb2O5 and MoO3 in the working electrode is 1:3.
典型的には、方法において使用される作用電極は、Nb2Mo3O14、Nb14Mo3O44、又はNb12MoO44から選択されるニオブモリブデン酸化物を含む。好ましくは、作用電極は、Nb2Mo3O14を含む。 Typically, the working electrode used in the method comprises a niobium molybdenum oxide selected from Nb2Mo3O14 , Nb14Mo3O44 , or Nb12MoO44 . Preferably, the working electrode comprises Nb2Mo3O14 .
典型的には、作用電極は、多孔質構造も階層構造も有さない。作用電極は、上記のような比表面積、細孔容積及び平均細孔サイズを有してもよい。 Typically, the working electrode does not have a porous or hierarchical structure. The working electrode may have a specific surface area, pore volume and average pore size as described above.
典型的には、作用電極は、粒子形態のニオブモリブデン酸化物を含む。作用電極のニオブモリブデン酸化物粒子は、上記のような一次又は集塊粒径を有してもよい。 Typically, the working electrode comprises niobium molybdenum oxide in particulate form. The niobium molybdenum oxide particles of the working electrode may have a primary or agglomerate particle size as described above.
作用電極は、上記のようなバインダー及び接着剤を含んでもよい。 The working electrode may comprise binders and adhesives as described above.
電気化学セル
本発明はまた、本発明の作用電極を含む電気化学セルをも提供する。作用電極は、例えばリチウムイオン電池において、放電ステップの間、アノード又はカソードであってもよい。典型的には、作用電極は、放電ステップの間、アノードである。
Electrochemical Cells The present invention also provides electrochemical cells comprising the working electrode of the present invention. The working electrode may be the anode or the cathode during the discharge step, for example in a lithium ion battery. Typically the working electrode is the anode during the discharge step.
電気化学セルは、典型的に、対向電極及び電解質を含む。電気化学セルは、電流収集板を含んでもよい。電気化学セルは、電源と電気的に接続されてもよい。電気化学セルは、測定装置、例えば、電流計又は電圧計と電気的に接続されてもよい。 An electrochemical cell typically includes a counter electrode and an electrolyte. An electrochemical cell may include a current collecting plate. The electrochemical cell may be electrically connected to a power source. The electrochemical cell may be electrically connected to a measuring device, such as an ammeter or voltmeter.
対向電極は、例えばリチウムイオン電池において、放電ステップの間、アノード又はカソードであってもよい。対向電極は、典型的には、放電ステップの間、カソードである。 The counter electrode may be the anode or the cathode during the discharge step, for example in a lithium ion battery. The counter electrode is typically the cathode during the discharge step.
好適なカソード材料は、リチウム含有又はリチウムインターカレーション材料、例えば、金属が典型的にCo、Fe、Ni、V、若しくはMn、又はこれらの組合せ等の遷移金属である、リチウム金属酸化物、を含む。正電極材料のいくつかの例は、リチウムコバルト酸化物(LiCoO2)、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物(NMC、LiNiMnCoO2、例えばLiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)、フッ化リン酸リチウムバナジウム(LiVPO4F)、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物(NCA、LiNiCoAlO2)、リン酸リチウム鉄(LFP、LiFePO4)、及びマンガンベースのスピネル(例えばLiMn2O4)を含む。 Suitable cathode materials include lithium-containing or lithium-intercalating materials, such as lithium metal oxides, where the metal is typically a transition metal such as Co, Fe, Ni, V, or Mn, or combinations thereof. include. Some examples of positive electrode materials are lithium cobalt oxide ( LiCoO2 ), lithium nickel manganese cobalt oxide ( NMC, LiNiMnCoO2 , e.g. LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 ) , fluoride Lithium vanadium phosphate (LiVPO 4 F), lithium nickel cobalt aluminum oxide (NCA, LiNiCoAlO 2 ), lithium iron phosphate (LFP, LiFePO 4 ), and manganese-based spinels (eg LiMn 2 O 4 ).
対向電極において導電性を改善するために、導電性炭素材料(例えばカーボンブラック、グラファイト、ナノ粒子状炭素粉末、又はカーボンナノチューブ)が典型的に対向電極材料と混合される。一実施形態において、対向電極は、多孔質炭素、例えば多孔質還元グラフェン酸化物を含む。 To improve conductivity in the counter electrode, a conductive carbon material (eg, carbon black, graphite, nanoparticulate carbon powder, or carbon nanotubes) is typically mixed with the counter electrode material. In one embodiment, the counter electrode comprises porous carbon, such as porous reduced graphene oxide.
一実施形態において、対向電極は、実質的にバインダーを含まない。 In one embodiment, the counter electrode is substantially binder-free.
一代替実施形態において、対向電極は、バインダー又は接着剤と混合される。バインダー又は接着剤のいくつかの例は、PVDF、PTFE、CMC、PAA、PMMA、PEO、SBR、及びこれらのコポリマーを含む。 In one alternative embodiment, the counter electrode is mixed with a binder or adhesive. Some examples of binders or adhesives include PVDF, PTFE, CMC, PAA, PMMA, PEO, SBR, and copolymers thereof.
対向電極は、典型的に電流収集基質、例えばアルミニウムプレートに固定される。 The counter electrode is typically fixed to a current collecting substrate, eg an aluminum plate.
典型的には、電気化学セル中の電解質は、リチウムイオンを可溶化するのに適する。 Typically, the electrolyte in electrochemical cells is suitable for solubilizing lithium ions.
典型的には、充電及び放電セル中の電解質は、リチウムイオンを含む。
典型的には、電解質はリチウム塩、例えばLiTFSI、(ビス(トリフルオロメタン)スルホンイミドリチウム塩、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiTF(リチウムトリフラート)、又はリチウムビス(オキサラート)ボラート(LiBOB)を含む。
Typically, electrolytes in charge and discharge cells contain lithium ions.
Typically, the electrolyte is a lithium salt such as LiTFSI, (bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt, LiPF6 , LiBF4 , LiClO4 , LiTF (lithium triflate), or lithium bis(oxalate)borate (LiBOB). include.
電解質は、室温、例えば25℃において液体であるもの等の、液体電解質であってもよい。 The electrolyte may be a liquid electrolyte, such as one that is liquid at room temperature, eg, 25°C.
電解質は、非水性電解質であってもよい。電解質は、極性非プロトン性溶媒を含んでもよい。電解質は、有機溶媒を含んでもよい。リチウムイオンを溶解するための溶媒は、当技術分野において周知である。 The electrolyte may be a non-aqueous electrolyte. The electrolyte may contain a polar aprotic solvent. The electrolyte may contain an organic solvent. Solvents for dissolving lithium ions are well known in the art.
好適な溶媒には、カーボネート溶媒が含まれる。例えば、炭酸プロピレン(PC)、炭酸エチレン(EC)、炭酸ブチレン(BC)、炭酸クロロエチレン、フッ化炭酸塩溶媒(例えば、炭酸フルオロエチレン及びトリフルオロメチルプロピレンカーボネート)、並びにジアルキルカーボネート溶媒、例えば炭酸ジメチル(DMC)、炭酸ジエチル(DEC)、炭酸ジプロピル(DPC)、炭酸エチルメチル(EMC)、炭酸メチルプロピル(MPC)、及び炭酸エチルプロピル(EPC)。 Suitable solvents include carbonate solvents. For example, propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene carbonate (BC), chloroethylene carbonate, fluorocarbonate solvents (e.g. fluoroethylene carbonate and trifluoromethylpropylene carbonate), and dialkyl carbonate solvents such as carbonic acid. dimethyl (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate (MPC), and ethyl propyl carbonate (EPC).
好適な溶媒にはまた、スルホン溶媒が含まれる。例えば、メチルスルホン、エチルメチルスルホン、メチルフェニルスルホン、メチルイソプロピルスルホン(MiPS)、プロピルスルホン、ブチルスルホン、テトラメチレンスルホン(スルホラン)、フェニルビニルスルホン、アリルメチルスルホン、メチルビニルスルホン、ジビニルスルホン(ビニルスルホン)、ジフェニルスルホン(フェニルスルホン)、ジベンジルスルホン(ベンジルスルホン)、ビニレンスルホン、ブタジエンスルホン、4-メトキシフェニルメチルスルホン、4-クロロフェニルメチルスルホン、2-クロロフェニルメチルスルホン、3,4-ジクロロフェニルメチルスルホン、4-(メチルスルホニル)トルエン、2-(メチルスルホニル)エタノール、4-ブロモフェニルメチルスルホン、2-ブロモフェニルメチルスルホン、4-フルオロフェニルメチルスルホン、2-フルオロフェニルメチルスルホン、4-アミノフェニルメチルスルホン、スルトン(例えば、1,3-プロパンスルトン)、及びエーテル基を含むスルホン溶媒(例えば、2-メトキシエチル(メチル)スルホン及び2-メトキシエトキシエチル(エチル)スルホン)。 Suitable solvents also include sulfone solvents. For example, methylsulfone, ethylmethylsulfone, methylphenylsulfone, methylisopropylsulfone (MiPS), propylsulfone, butylsulfone, tetramethylenesulfone (sulfolane), phenylvinylsulfone, allylmethylsulfone, methylvinylsulfone, divinylsulfone (vinylsulfone) ), diphenylsulfone (phenylsulfone), dibenzylsulfone (benzylsulfone), vinylenesulfone, butadiene sulfone, 4-methoxyphenylmethylsulfone, 4-chlorophenylmethylsulfone, 2-chlorophenylmethylsulfone, 3,4-dichlorophenylmethylsulfone, 4-(methylsulfonyl)toluene, 2-(methylsulfonyl)ethanol, 4-bromophenylmethylsulfone, 2-bromophenylmethylsulfone, 4-fluorophenylmethylsulfone, 2-fluorophenylmethylsulfone, 4-aminophenylmethylsulfone , sultones (eg, 1,3-propane sultone), and sulfone solvents containing ether groups (eg, 2-methoxyethyl(methyl)sulfone and 2-methoxyethoxyethyl(ethyl)sulfone).
好適な溶媒にはまた、シロキサン又はシラン等のケイ素含有溶媒も含まれる。例えば、ヘキサメチルジシロキサン(HMDS)、1,3-ジビニルテトラメチルジシロキサン、ポリシロキサン、及びポリシロキサン-ポリオキシアルキレン誘導体。シラン溶媒のいくつかの例は、メトキシトリメチルシラン、エトキシトリメチルシラン、ジメトキシジメチルシラン、メチルトリメトキシシラン、及び2-(エトキシ)エトキシトリメチルシランを含む。 Suitable solvents also include silicon-containing solvents such as siloxanes or silanes. For example, hexamethyldisiloxane (HMDS), 1,3-divinyltetramethyldisiloxane, polysiloxanes, and polysiloxane-polyoxyalkylene derivatives. Some examples of silane solvents include methoxytrimethylsilane, ethoxytrimethylsilane, dimethoxydimethylsilane, methyltrimethoxysilane, and 2-(ethoxy)ethoxytrimethylsilane.
典型的には、性能を改善するために、添加剤が電解質中に含まれてもよい。例えば、炭酸ビニレン(VC),炭酸ビニルエチレン、炭酸アリルエチル、炭酸t-ブチレン、酢酸ビニル、アジピン酸ジビニル、アクリル酸ニトリル、2-ビニルピリジン、無水マレイン酸、ケイヒ酸メチル、炭酸エチレン、ハロゲン化炭酸エチレン、α-ブロモ-γ-ブチロラクトン、クロロギ酸メチル、1,3-プロパンスルトン、エチレンサルファイト(ES)、プロピレンサルファイト(PS)、ビニルエチレンサルファイト(VES)、フルオロエチレンサルファイト(FES)、12-クラウン-4エーテル、二酸化炭素(CO2)、二酸化イオウ(SO2)、及び三酸化イオウ(SO3)。 Typically, additives may be included in the electrolyte to improve performance. For example, vinylene carbonate (VC), vinyl ethylene carbonate, allyl ethyl carbonate, t-butylene carbonate, vinyl acetate, divinyl adipate, nitrile acrylate, 2-vinylpyridine, maleic anhydride, methyl cinnamate, ethylene carbonate, halogenated carbonic acid Ethylene, α-bromo-γ-butyrolactone, methyl chloroformate, 1,3-propanesultone, ethylene sulfite (ES), propylene sulfite (PS), vinylethylene sulfite (VES), fluoroethylene sulfite (FES) , 12-crown-4 ether, carbon dioxide (CO 2 ), sulfur dioxide (SO 2 ), and sulfur trioxide (SO 3 ).
電気化学セルはまた、負電極と正電極との間に配置された、固体多孔質膜をも含んでもよい。固体多孔質膜は、部分的に又は完全に液体電解質に置き換わってもよい。固体多孔質膜は、ポリマー(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、又はこれらのコポリマー)、又は無機材料、例えば、遷移金属酸化物(例えば、チタニア、ジルコニア、イットリア、ハフニア、又はニオビア)、又は主要族金属の酸化物、例えば、ガラス繊維の形態であってもよい酸化ケイ素を含んでもよい。 The electrochemical cell may also include a solid porous membrane positioned between the negative and positive electrodes. The solid porous membrane may partially or completely replace the liquid electrolyte. Solid porous membranes may be made of polymers (e.g., polyethylene, polypropylene, or copolymers thereof), or inorganic materials, such as transition metal oxides (e.g., titania, zirconia, yttria, hafnia, or niobia), or main group metals. Oxides, such as silicon oxide, which may be in the form of glass fibres, may also be included.
固体非多孔質膜は、リチウムイオン伝導体を含んでもよい。例えば、LLZO(ガーネットファミリー)、LSPO(LISICONファミリー)、LGPS(thio-LISICONファミリー)、LATP/LAGP(NASICONファミリー)、LLTO(ペロブスカイトファミリー)、及びホスフィド/スルフィドガラスセラミックス。 The solid non-porous membrane may comprise a lithium ion conductor. For example, LLZO (garnet family), LSPO (LISICON family), LGPS (thio-LISICON family), LATP/LAGP (NASICON family), LLTO (perovskite family), and phosphide/sulfide glass-ceramics.
電気化学セルは、少なくとも5CのCレートで充電又は放電されてもよく、例えば電気化学セルは、作用電極材料の化学式単位当たり遷移金属当たり1電子移動に関して、少なくとも5CのCレートで充電又は放電されてもよい。好ましくは、電気化学セルは、少なくとも10C、15C、20C、25C、30C、35C、40C、50C、60C、又は80CのCレートで充電又は放電されてもよい。 The electrochemical cell may be charged or discharged at a C-rate of at least 5 C, for example the electrochemical cell is charged or discharged at a C-rate of at least 5 C for one electron transfer per transition metal per chemical formula unit of the working electrode material. may Preferably, the electrochemical cell may be charged or discharged at a C-rate of at least 10C, 15C, 20C, 25C, 30C, 35C, 40C, 50C, 60C, or 80C.
電気化学セルは、少なくとも750mA・g-1の電流密度で充電又は放電されてもよい。好ましくは、電気化学セルは、少なくとも800mA・g-1、850mA・g-1、900mA・g-1、950mA・g-1、1000mA・g-1、1050mA・g-1、1100mA・g-1、1200mA・g-1、又は1300mA・g-1の電流密度で充電又は放電されてもよい。 The electrochemical cell may be charged or discharged at a current density of at least 750 mA·g −1 . Preferably, the electrochemical cell is at least 800 mA·g −1 , 850 mA·g −1 , 900 mA·g −1 , 950 mA·g −1 , 1000 mA·g −1 , 1050 mA·g −1 , 1100 mA·g −1 , 1200 mA·g −1 , or 1300 mA·g −1 .
電気化学セルは、1Cで、少なくとも200、300、400、500、600、又は700A・h・L-1の体積電荷密度を有してもよい。典型的には、電気化学セルは、20Cで、100、200、300、又は400A・h・L-1までの体積電荷密度を有してもよい。 The electrochemical cell may have a volume charge density of at least 200, 300, 400, 500, 600, or 700 A·h·L −1 at 1C. Typically, an electrochemical cell may have a volume charge density of up to 100, 200, 300, or 400 A·h·L −1 at 20C.
電気化学セルは、少なくとも50、100、150、200、250、300、400、500、600、700、800、900、1000、1200、1500、1800、又は2000サイクルにわたって維持される、20Cでの少なくとも70%、75%、80%、85%、90%、95%、96%、97%、98%、99%、又は100%の容量保持率を有してもよい。 The electrochemical cell is at least It may have a capacity retention of 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, or 100%.
電気化学セルは、電圧が閾値を超えた場合、完全充電されているとみなされてもよい。例えば、リチウム金属アノード及びニオブタングステン酸化物カソードを含む電気化学セルは、電圧が実用レベルを超えて上がった場合、例えば電圧がLi/Li+に対して2.0Vを超えて、例えば2.25V超又は2.5V超へ、上がった場合、完全充電されているとみなされてもよい。 An electrochemical cell may be considered fully charged when the voltage exceeds a threshold. For example, an electrochemical cell comprising a lithium metal anode and a niobium tungsten oxide cathode may be used if the voltage is raised above practical levels, e.g. If it rises above or above 2.5V, it may be considered fully charged.
電気化学セルは、電圧が閾値を超えた場合、完全放電されているとみなされてもよい。例えば、リチウム金属アノード及びニオブタングステン酸化物カソードを含む電気化学セルは、電圧が実用レベル未満に低下した場合、例えば電圧がLi/Li+に対して1.5V未満に、例えば1.25V未満に又は1.0V未満に低下した場合、完全放電されているとみなされてもよい。 An electrochemical cell may be considered fully discharged when the voltage exceeds a threshold. For example, an electrochemical cell comprising a lithium metal anode and a niobium tungsten oxide cathode can be used if the voltage drops below a practical level, e.g., below 1.5 V versus Li/Li + , e.g., below 1.25 V. Or if it drops below 1.0V, it may be considered fully discharged.
電気化学セルは、リチウムイオン電池であってもよい。 The electrochemical cell may be a lithium ion battery.
方法
本発明は、少なくとも5CのCレートで電気化学セルを充電及び/又は放電する方法を提供し、例えば電気化学セルは、作用電極材料の化学式単位当たり遷移金属当たり1電子移動に関して、少なくとも5CのCレートで充電又は放電されてもよい。電気化学セルは、ニオブタングステン酸化物及び/又はニオブモリブデン酸化物を含む作用電極を含む。好ましくは、電気化学セルは、対向電極及び電解質を含む。
Methods The present invention provides a method of charging and/or discharging an electrochemical cell at a C-rate of at least 5C, e.g. It may be charged or discharged at the C rate. Electrochemical cells include working electrodes comprising niobium tungsten oxide and/or niobium molybdenum oxide. Preferably, the electrochemical cell includes a counter electrode and an electrolyte.
好ましくは、方法は、少なくとも10C、15C、20C、25C、30C、35C、40C、50C、60C、又は80CのCレートで電気化学セルを充電及び/又は放電する方法である。 Preferably, the method is a method of charging and/or discharging the electrochemical cell at a C-rate of at least 10C, 15C, 20C, 25C, 30C, 35C, 40C, 50C, 60C, or 80C.
方法は、少なくとも750mA・g-1の、例えば少なくとも800mA・g-1の電流密度で、電気化学セルを充電及び/又は放電する方法であってもよい。好ましくは、方法は、少なくとも800mA・g-1、850mA・g-1、900mA・g-1、950mA・g-1、1000mA・g-1、1050mA・g-1、1100mA・g-1、1200mA・g-1、又は1300mA・g-1の電流密度で、電気化学セルを充電及び/又は放電する方法である。 The method may be a method of charging and/or discharging the electrochemical cell at a current density of at least 750 mA·g −1 , such as at least 800 mA·g −1 . Preferably, the method comprises at least 800 mA·g −1 , 850 mA·g −1 , 900 mA·g −1 , 950 mA·g −1 , 1000 mA·g −1 , 1050 mA·g −1 , 1100 mA·g −1 , 1200 mA • g −1 , or a method of charging and/or discharging an electrochemical cell at a current density of 1300 mA·g −1 .
方法は、電気化学セルを充電及び放電するか、又は放電及び充電するサイクルを含む。サイクルは、1回より多く繰り返されてもよい。したがって、方法は、2サイクル以上、5サイクル以上、10サイクル以上、50サイクル以上、100サイクル以上、500サイクル以上、1000サイクル以上、又は2000サイクル以上を含む。 The method includes charging and discharging, or discharging and charging, the electrochemical cell. The cycle may be repeated more than once. Thus, methods include 2 or more cycles, 5 or more cycles, 10 or more cycles, 50 or more cycles, 100 or more cycles, 500 or more cycles, 1000 or more cycles, or 2000 or more cycles.
電池
本発明はまた、1つ又は複数の本発明の電気化学セルを含む電池をも提供する。電池は、リチウムイオン電池であってもよい。
Batteries The invention also provides batteries comprising one or more electrochemical cells of the invention. The battery may be a lithium ion battery.
複数のセルが存在する場合、これらは直列又は並列で提供されてもよい。 If multiple cells are present, these may be provided in series or parallel.
本発明の電池は、道路車両、例えば自動車、原動機付き自転車又はトラックにおいて提供されてもよい。別法として、本発明の電池は、鉄道車両、例えば列車又は路面電車において提供されてもよい。本発明の電池はまた、電動自転車(e-バイク)において提供されてもよい。 The battery of the invention may be provided in road vehicles such as automobiles, motorized bicycles or trucks. Alternatively, the battery of the invention may be provided in a rail vehicle, such as a train or tram. A battery of the invention may also be provided in an electric bicycle (e-bike).
本発明の電池は、回生ブレーキシステムにおいて提供されてもよい。 A battery of the present invention may be provided in a regenerative braking system.
本発明の電池は、携帯電話、ラップトップ又はタブレットなどの携帯用電子機器において提供されてもよい。 The battery of the invention may be provided in portable electronic devices such as mobile phones, laptops or tablets.
本発明の電池は、電力グリッド管理システムにおいて提供されてもよい。 A battery of the invention may be provided in a power grid management system.
使用
本発明は全般に、本明細書に記載のような電気化学セル等の高速電気化学セルにおけるニオブタングステン酸化物を含む作用電極の使用を提供する。典型的には、電気化学セルは、少なくとも5CのCレートで充電又は放電されてもよく、例えば電気化学セルは、作用電極材料の化学式単位当たり遷移金属当たり1電子移動に関して、少なくとも5CのCレートで充電又は放電されてもよい。好ましくは、電気化学セルは、少なくとも10C、15C、20C、25C、30C、35C、40C、50C、60C、又は80CのCレートで充電又は放電されてもよい。
Uses The present invention generally provides the use of working electrodes comprising niobium tungsten oxide in high speed electrochemical cells, such as electrochemical cells as described herein. Typically, the electrochemical cell may be charged or discharged at a C-rate of at least 5C, for example the electrochemical cell has a C-rate of at least 5C for one electron transfer per transition metal per chemical formula unit of the working electrode material. may be charged or discharged with Preferably, the electrochemical cell may be charged or discharged at a C-rate of at least 10C, 15C, 20C, 25C, 30C, 35C, 40C, 50C, 60C, or 80C.
電気化学セルは、少なくとも750mA・g-1の電流密度で充電又は放電されてよい。好ましくは、電気化学セルは、少なくとも800mA・g-1、850mA・g-1、900mA・g-1、950mA・g-1、1000mA・g-1、1050mA・g-1、1100mA・g-1、1200mA・g-1、又は1300mA・g-1の電流密度で充電又は放電されてもよい。 The electrochemical cell may be charged or discharged at a current density of at least 750 mA·g −1 . Preferably, the electrochemical cell is at least 800 mA·g −1 , 850 mA·g −1 , 900 mA·g −1 , 950 mA·g −1 , 1000 mA·g −1 , 1050 mA·g −1 , 1100 mA·g −1 , 1200 mA·g −1 , or 1300 mA·g −1 .
作用電極は、本明細書に記載の方法において使用されてもよい。 A working electrode may be used in the methods described herein.
その他の選好
上記の実施形態のあらゆる両立できる組合せが、あらゆる組合せが個々に且つ明示的に列挙されたかのように、本明細書において明示的に開示される。
Other Preferences Any compatible combination of the above embodiments is expressly disclosed herein, as if every combination were individually and explicitly recited.
本開示を考慮して、本発明の種々の更なる態様及び実施形態が、当業者には明らかであろう。 Various further aspects and embodiments of the invention will be apparent to those skilled in the art in view of the present disclosure.
「及び/又は」は、本明細書で使用される場合、もう一方があろうとなかろうと、2つの特定の特徴又は構成要素の各々の具体的開示とみなされる。例えば、「A及び/又はB」は、(i)A、(ii)B並びに(iii)A及びBの各々が本明細書において個々に記載されているかのように、これら各々の具体的開示とみなされる。 "and/or" when used herein is considered specific disclosure of each of the two specified features or components, whether or not the other is present. For example, "A and/or B" refers to the specific disclosure of each of (i) A, (ii) B, and (iii) A and B as if each of them were individually listed herein. is considered.
文脈上別段の指示がない限り、上に記載の特徴の説明及び定義は、本発明のいかなる特定の態様又は実施形態にも限定されることはなく、且つ記載される全ての態様及び実施形態に等しく当てはまる。 Unless the context dictates otherwise, the descriptions and definitions of the features set forth above are not limited to any particular aspect or embodiment of the invention, and all aspects and embodiments described. apply equally.
本発明の特定の態様及び実施形態を、ここで、例として、且つ上記の図面を参照して、例証する。 Certain aspects and embodiments of the invention will now be illustrated by way of example and with reference to the above drawings.
実験
以下の例は、本発明を例証するためのみに提供され、本明細書に記載の本発明の範囲を限定することは意図されない。
EXPERIMENTAL The following examples are provided only to illustrate the invention and are not intended to limit the scope of the invention described herein.
Nb16W5O55及びNb18W16O93の合成
Nb16W5O55及びNb18W16O93を、濃青色のNbO2(Alfa Aesar社、99+%)及び褐色のWO2(Alfa Aesar社、99.9%)の約1から5グラムバッチでの共熱酸化により合成した。部分的に還元された酸化物を16:5又は18:16のモル比の0.001g以内に凝集させ、メノウ乳鉢及び乳棒を用いて手作業で一緒にすり潰し、10MPaでペレットに圧縮し、白金るつぼ中で、10K・min-1の速度で1473Kまで加熱し、炉の中で約2時間以上、自然に冷却した。
Synthesis of Nb 16 W 5 O 55 and Nb 18 W 16 O 93 Nb 16 W 5 O 55 and Nb 18 W 16 O 93 were combined with dark blue NbO 2 (Alfa Aesar, 99+%) and brown WO 2 (Alfa Aesar, 99.9%) by co-thermal oxidation in about 1-5 gram batches. The partially reduced oxides were agglomerated to within 0.001 g of a 16:5 or 18:16 molar ratio, manually ground together using an agate mortar and pestle, pressed into pellets at 10 MPa, and platinum It was heated in a crucible to 1473 K at a rate of 10 K·min −1 and allowed to cool naturally in a furnace over about 2 hours.
Nb8W9O47及びNb12WO33の合成
Nb8W9O47及びNb12WO33を、濃青色のNbO2(Alfa Aesar社、99+%)及び褐色のWO2(Alfa Aesar社、99.9%)の約1から5グラムバッチでの共熱酸化により合成した。部分的に還元された酸化物を8:9又は12:1のモル比の0.001g以内に凝集させ、メノウ乳鉢及び乳棒を用いて手作業で一緒にすり潰し、10MPaでペレットに圧縮し、白金るつぼ中で、10K・min-1の速度で1473Kまで加熱し、炉の中で約2時間以上、自然に冷却した。
Synthesis of Nb 8 W 9 O 47 and Nb 12 WO 33 Nb 8 W 9 O 47 and Nb 12 WO 33 were combined with dark blue NbO 2 (Alfa Aesar, 99+%) and brown WO 2 (Alfa Aesar, 99 .9%) by cothermal oxidation in about 1 to 5 gram batches. The partially reduced oxides were agglomerated to within 0.001 g of a molar ratio of 8:9 or 12:1, manually ground together using an agate mortar and pestle, pressed into pellets at 10 MPa, and platinum It was heated in a crucible to 1473 K at a rate of 10 K·min −1 and allowed to cool naturally in a furnace over about 2 hours.
Nb2Mo3O14の合成
Nb2Mo3O14を、約1から5グラムバッチでの、濃青色のNbO2(Alfa Aesar社、99+%)及び濃褐色のMoO3(Sigma社、99%)の共熱酸化、又は白色のNb2O5(Sigma社、99.9985%)及びオフホワイトのMoO3(Sigma社、≧99.5%)の共熱酸化により合成した。部分的に還元された酸化物を2:3又は1:3のモル比の0.001g以内に凝集させ、メノウ乳鉢及び乳棒を用いて手作業で一緒にすり潰し、10MPaでペレットに圧縮し、白金又はアルミナるつぼ中で、10K・min-1の速度で873K、923K、又は973Kまで加熱し、炉の外の空気中、金属板の上で、急冷した。
Synthesis of Nb 2 Mo 3 O 14 Nb 2 Mo 3 O 14 was prepared in about 1 to 5 gram batches of dark blue NbO 2 (Alfa Aesar, 99+%) and dark brown MoO 3 (Sigma, 99%). ) or co-thermal oxidation of white Nb 2 O 5 (Sigma, 99.9985%) and off-white MoO 3 (Sigma, ≧99.5%). The partially reduced oxides were agglomerated to within 0.001 g of a 2:3 or 1:3 molar ratio, manually ground together using an agate mortar and pestle, pressed into pellets at 10 MPa, and platinum or heated to 873 K, 923 K, or 973 K at a rate of 10 K·min −1 in an alumina crucible and quenched on a metal plate in air outside the furnace.
顕微鏡的特徴付け
走査電子顕微鏡法(SEM)画像を、3.0kVでΣigma VP装置(Zeiss社)及び5.0kVでMIRA3装置(TESCAN社)により二次電子検出で、撮影した。タップ密度を、257タップ・min-1で作動するAutoTap(Quantachrome Instruments社)装置に、記録した。タップ密度は、5から10cm3メスシリンダーを収容するよう修正されたASTM internationalの規格B527-15に従って測定した。
Microscopic Characterization Scanning electron microscopy (SEM) images were taken with a Σigma VP instrument (Zeiss) at 3.0 kV and a MIRA3 instrument (TESCAN) at 5.0 kV with secondary electron detection. Tap densities were recorded on an AutoTap (Quantachrome Instruments Inc.) instrument operating at 257 taps min −1 . Tap density was measured according to ASTM international standard B527-15 modified to accommodate a 5 to 10 cm 3 graduated cylinder.
Nb16W5O55及びNb18W16O93はどちらも、電子顕微鏡で、約10から30μmのより大きな二次粒子へと相互成長/「接合」しているように見える約3から10μmの一次粒子によるサブヘドラル粒子を形成した(図1及び図2)。バルク化合物は、大部分がコーナー及びエッジを共有するNbO6及びWO6八面体から構成される、一連の複雑な「ブロック」(Nb16W5O55)又は「ブロンズ様」(Nb18W16O93)酸化物構造(図2)である。 Both Nb 16 W 5 O 55 and Nb 18 W 16 O 93 have grains of about 3 to 10 μm that appear to intergrow/“bond” into larger secondary particles of about 10 to 30 μm under electron microscopy. Sub-hedral particles were formed by primary particles (FIGS. 1 and 2). The bulk compound is a series of complex 'block' (Nb 16 W 5 O 55 ) or 'bronze-like ' (Nb 18 W 16 O 93 ) oxide structure (FIG. 2).
Nb16W5O55は、幅4八面体×長さ5八面体のReO3様ブロックへと配置され、第3次元で無限である、コーナーを共有する八面体のサブユニットから構成される単斜晶構造を有する(図2A)。ブロックサブユニットは、エッジに沿って結晶学的せん断面によって、且つ各コーナーにおいて四面体によって連結されることから、(4×5)1と表記されることになり、ここで、表記(m×n)pにおいて、m及びnは八面体単位でのブロック長を表し、pはブロックの連結性に関連し、対(p=2)又は無限リボン(p=∞)で結合されてもよい。
Nb 16 W 5 O 55 is a unit composed of corner-sharing octahedral subunits arranged into ReO 3 -
Nb18W16O93は、斜方晶で、古典的な正方晶タングステンブロンズ(TTB)の1×3×1の超構造である(図2D及び図3)。TTB構造は、時としてカチオンによって安定化される(例えば、K+、図3の部分的に充填された球体);アルカリカチオンを含まないNb18W16O93は、トンネルを部分的に占有して、五角形のバイピラミッドを形成する-M-O-鎖によって安定化される。リチウムインターカレーションに対するイオン及び電子の影響は、それぞれ、Nb18W16O93の層が依然として完全に開いており、カチオンに占有されていない(すなわち、平面(x,y,1/2)周辺で)こと、及び全ての金属カチオンが所望のd0電子配置にあるが、古典的なTTB構造においてはこれら基準のいずれも満たされないことである。 Nb 18 W 16 O 93 is an orthorhombic, 1×3×1 superstructure of classical tetragonal tungsten bronze (TTB) (FIGS. 2D and 3). TTB structures are sometimes stabilized by cations (e.g., K +, partially filled spheres in Fig. 3 ); , stabilized by -MO- chains that form a pentagonal bipyramid. The effect of ions and electrons on lithium intercalation, respectively, is that the layers of Nb 18 W 16 O 93 are still fully open and unoccupied by cations (i.e., around the plane (x, y, 1/2) and that, although all metal cations are in the desired d 0 electron configuration, neither of these criteria are met in the classical TTB structure.
Nb16W5O55及びNb18W16O93の電気化学的特徴付け
電気化学的特徴付けを、円錐ばね、2枚の0.5mmステンレス鋼スペーサーディスク、プラスチックガスケット、及びガラスマイクロファイバーセパレータ(Whatman社)を配したステンレス鋼2032-コイン型電池(Cambridge Energy Solutions社)を用いて行った。ニオブタングステン酸化物電極を形成するために、ニオブタングステン酸化物及び導電性炭素(Super P、TIMCAL社)を、8:1の質量比で、メノウ乳鉢及び乳棒で、手作業ですり潰した。この粉末を、N-メチルピロリドン(NMP、Sigma-Aldrich社、無水、99.5%)中に分散したポリ(ビニリデンジフルオリド)(PVDF、Kynar社)と9:1の質量比ですり潰した。スラリーを、ドクターブレード(バーコーター)を用いてアルミニウム又は銅の箔上にコーティングした。60℃のオーブン中で24時間加熱することにより、NMPを除去した。標準ではあるが、Super P炭素は、ナノ粒子状粉末であり、NMPは有害な有機溶媒であるので、適切なナノ粒子キャビネット/ヒュームフードを使用すべきである。
Electrochemical characterization of Nb 16 W 5 O 55 and Nb 18 W 16 O 93 (Cambridge Energy Solutions, Inc.) with stainless steel 2032-coin cells (Cambridge Energy Solutions, Inc.). To form a niobium tungsten oxide electrode, niobium tungsten oxide and conductive carbon (Super P, TIMCAL) were manually ground with an agate mortar and pestle at a weight ratio of 8:1. This powder was ground in a 9:1 weight ratio with poly(vinylidene difluoride) (PVDF, Kynar) dispersed in N-methylpyrrolidone (NMP, Sigma-Aldrich, anhydrous, 99.5%). The slurry was coated onto aluminum or copper foil using a doctor blade (bar coater). NMP was removed by heating in an oven at 60° C. for 24 hours. As standard, Super P carbon is a nanoparticulate powder and NMP is a hazardous organic solvent, so a suitable nanoparticle cabinet/fume hood should be used.
この80/10/10の金属酸化物/炭素/ポリマー電極は、半電池形状において、Li金属ディスク(LTS Research社、99.95%)アノードに対するカソードとして機能した。電気化学的試験において、電解質は、1:1v/v炭酸エチレン/炭酸ジメチル(EC/DMC;Sigma-Aldrich社、電池グレード;LP30としても知られている)に溶解した1M LiPF6であった。添加剤は使用しなかった。電気化学的測定は、293Kの温度制御室内で行った。EC-Labソフトウェアを備えたBiologic社のガルバノスタット/ポテンショスタットを使用して、電気化学的測定を行った。 This 80/10/10 metal oxide/carbon/polymer electrode served as the cathode to a Li metal disk (LTS Research, 99.95%) anode in a half-cell configuration. In the electrochemical tests, the electrolyte was 1M LiPF 6 dissolved in 1:1 v/v ethylene carbonate/dimethyl carbonate (EC/DMC; Sigma-Aldrich, battery grade; also known as LP30). No additives were used. Electrochemical measurements were performed in a temperature-controlled room at 293K. Electrochemical measurements were performed using a Biologic galvanostat/potentiostat with EC-Lab software.
2から3mg・cm-2の活性質量負荷を有する大きな粒子の緻密電極を、数時間から数十秒の放電時間に相当する電流密度で試験した。Nb16W5O55を、同等の放電開始点を確保するために、充電の最高部において1時間の定電圧ステップで充電した;Nb18W16O93は、このステップなしで、サイクルさせ、60Cで、100mA・h・g-1を超えて(すなわち、<60s)保存した。1000サイクルの高速サイクリングを、10C/20C定電流で、いかなる定電位ステップもなしで、両方の酸化物に対して行った。 Large-grain dense electrodes with active mass loadings of 2 to 3 mg·cm −2 were tested at current densities corresponding to discharge times of hours to tens of seconds. Nb 16 W 5 O 55 was charged with a constant voltage step of 1 h at the top of the charge to ensure a comparable starting point of discharge; Nb 18 W 16 O 93 was cycled without this step and Stored at >100 mA·h·g −1 (ie, <60 s) at 60C. 1000 cycles of fast cycling were performed on both oxides at 10C/20C constant current without any potentiostatic step.
Nb16W5O55のリチウムとの反応(図4A)は、Li4Ti5O12の平均電圧1.55Vに匹敵する1.57Vの平均電圧で、2.5Vから1.0Vまでの3つの領域において進行する(図5)。3領域は、微分プロットにおいてより容易に観察され(図4B)、それらの勾配によって特徴付けられ、他の結晶学的せん断構造(例えば、H-Nb2O5、PNb9O25、TiNb2O7、及びNb12WO33)において観察される3領域を連想させる。C/5(34.3mA・g-1)から60C(10.3A・g-1)までの電流密度範囲にわたって、速度論を調べたとき、Nb16W5O55は、かつてないバルク速度性能を示した(図4A及び図4C)。C/5で、約225mA・h・g-1の重量容量に対して遷移金属当たり、約1.3リチウムイオンを可逆的にインターカレートすることができる。速度を25倍の5Cに増加させると、Nb16W5O55は、1.0Li+/TM(171mA・h・g-1)の容量を維持する。3分の放電に相当する20Cで、依然として0.86Li+/TMを交換し、148mA・h・g-1に到達することが可能である。Nb16W5O55の速度試験は、信頼できる放電開始点を確保するために、充電の最高部において定電位保持をして測定した。より厳しい条件下での性能を試験するために、保持なしで、10Cで250サイクルに続いて20Cで750サイクルの固定された定電流放電及び充電条件により、1000サイクルを測定した(図4F)。これらの条件下で、最適化されていないか又はカレンダー加工された電極上で250サイクル後に、95%の容量保持率で、0.90Li+/TM(平均155mA・h・g-1)を10Cで可逆的にインターカレートした。20Cで、容量は0.75Li+/TM(平均128mA・h・g-1)であった;容量保持率は20Cで750サイクルにわたり再び95%であった。
The reaction of Nb16W5O55 with lithium (Fig . 4A ) shows a 3 It progresses in two regions (Fig. 5). Three regions are more readily observed in the derivative plot (Fig. 4B), characterized by their slopes and other crystallographic shear structures (e.g., H—Nb 2 O 5 , PNb 9 O 25 , TiNb 2 O 7 , and Nb 12 WO 33 ). Nb 16 W 5 O 55 exhibited unprecedented bulk velocity performance when kinetics were investigated over the current density range from C/5 (34.3 mA·g −1 ) to 60 C (10.3 A·g −1 ) was shown (FIGS. 4A and 4C). At C/5, about 1.3 lithium ions can be reversibly intercalated per transition metal for a gravimetric capacity of about 225 mA·h·g −1 . When the rate is increased 25 times to 5C, the Nb 16 W 5 O 55 maintains a capacity of 1.0 Li + /TM (171 mA·h·g −1 ). At 20 C, corresponding to 3 minutes of discharge, it is still possible to exchange 0.86 Li + /TM and reach 148 mA·h·g −1 . Rate tests of Nb 16 W 5 O 55 were measured with a constant potential hold at the top of the charge to ensure a reliable starting point of discharge. To test performance under more severe conditions, 1000 cycles were measured with fixed constant current discharge and charge conditions of 250 cycles at 10 C followed by 750 cycles at 20 C without holding (Fig. 4F). Under these conditions, 0.90 Li + /TM (average 155 mA·h·g −1 ) at 10 C with 95% capacity retention after 250 cycles on non-optimized or calendered electrodes. reversibly intercalated with
Nb18W16O93の平均電圧は、1.67Vである(図4D~図4F)。重量容量に関して、Nb18W16O93は、タングステンリッチブロンズ相のモル質量がより高いために、C/5及び1Cで、Nb16W5O55よりも約20mA・h・g-1少なく蓄える。しかし、20Cで、Nb18W16O93は、依然として約150mA・h・g-1の容量に対して全単位Li+/TMを収容することができる。60C及び100C(14.9A・g-1)でも、依然として容量は、それぞれ、105及び70mA・h・g-1である。 The average voltage of Nb 18 W 16 O 93 is 1.67 V (FIGS. 4D-4F). In terms of gravimetric capacity, Nb 18 W 16 O 93 stores about 20 mA·h·g −1 less than Nb 16 W 5 O 55 at C/5 and 1C due to the higher molar mass of the tungsten-rich bronze phase. . However, at 20C, Nb 18 W 16 O 93 can still accommodate total unit Li+/TM for a capacity of about 150 mA·h·g −1 . At 60 C and 100 C (14.9 A·g −1 ) the capacities are still 105 and 70 mA·h·g −1 respectively.
Cu箔集電体と炭素被覆Al箔集電体の比較
図6は、高速において無視することのできない、集電体の影響を示す。
Comparison of Cu Foil Current Collectors and Carbon Coated Al Foil Current Collectors FIG. 6 shows the impact of the current collectors at high speeds which cannot be ignored.
10C/20Cでの定電流放電及び充電下で1000サイクルさせたNb16W5O55に関して、Cu箔集電体は、炭素被覆Al(C@Al)箔よりも中程度に高い容量を示した(図6A)。非処理Al箔は、高電流密度には不十分であることが示されている(Griffithら);C@Alは、非処理Alを上回る相当の改善を示した。Nb16W5O55において、より低い電圧領域は、低速で1.0Li+/TMを超える過剰容量源であるが、中程度の速度で、1.0V未満へと効果的にシフトする。第二の放電ピーク(1.2Vを中心とする)は、dQ/dVプロットにおいてC/5で観察されるのみである(図4B)。結果として、下限電圧1.2V対1.0Vでのサイクリングの場合に観察される容量は、速度が増加すると重要性がより低くなり、低電圧を避けることにより、安全性がさらに改善される可能性がある。図6Bは、10Cでの第100サイクルに対する3.0から1.0Vの間の放電及び充電プロファイルを示す。 For 1000 cycles of Nb 16 W 5 O 55 under galvanostatic discharge and charge at 10 C/20 C, the Cu foil current collector showed moderately higher capacity than the carbon-coated Al (C@Al) foil. (Fig. 6A). Untreated Al foil has been shown to be inadequate for high current densities (Griffith et al.); C@Al showed considerable improvement over untreated Al. In Nb 16 W 5 O 55 , the lower voltage region is the source of excess capacity above 1.0 Li+/TM at low speeds, but effectively shifts to below 1.0 V at moderate speeds. A second discharge peak (centered at 1.2 V) is only observed at C/5 in the dQ/dV plot (Fig. 4B). As a result, the capacities observed for cycling at lower voltages of 1.2 V vs. 1.0 V become less significant as speed increases, and avoidance of low voltages may further improve safety. have a nature. FIG. 6B shows the discharge and charge profiles between 3.0 and 1.0 V for the 100th cycle at 10C.
最小カットオフ電圧の関数としてのより長期のサイクリング
図7は、C/5での長期サイクリングの影響を示す。
Longer-Term Cycling as a Function of Minimum Cut-Off Voltage FIG. 7 shows the effect of long-term cycling at C/5.
定電流定電圧充電は、(図7A)にあるように、過剰充電することなく容量を最大化する一般的な方法であるが、余分な時間を必要とすることは、サイクリングが、C/5及び1Cは放電だがC/6及びC/2は充電とみなされてもよいことを意味する。図7Aにおける第2から第50サイクルの保持率は、1.2及び1.0Vの最低電圧に対して、それぞれ、96%及び93%である。1Cでの第51から第100サイクルは、1.2及び1.0Vに対して、それぞれ、99%及び101%の容量保持率を示す。図7BのC/5に対する第2から第50サイクルのサイクル保持率は、1.1、1.0、及び0.9Vに対して、それぞれ、88%、90%、及び40%である。サイクリング時間は、約1時間であった。 Constant-current constant-voltage charging, as in (Fig. 7A), is a popular method to maximize capacity without overcharging, but the extra time required means that cycling can and 1C may be considered discharging, but C/6 and C/2 may be considered charging. The retention rates for the 2nd to 50th cycles in FIG. 7A are 96% and 93% for the lowest voltages of 1.2 and 1.0 V, respectively. The 51st to 100th cycles at 1C show capacity retention of 99% and 101% for 1.2 and 1.0 V, respectively. The cycle retention ratios for the 2nd to 50th cycles for C/5 in FIG. 7B are 88%, 90% and 40% for 1.1, 1.0 and 0.9V respectively. Cycling time was approximately 1 hour.
電流密度の関数としてのLi||Li対称セルにおける過電位
対照として、Li||Li対称セルを図4A~図4Eにおける電流密度に相当する電流密度でサイクルさせた(図8)。セルは、コンポジット電極が第二のLiディスクに置き換わっているのを除き、金属酸化物試験に使用されるものと同一に配置された。速度試験を、100μA(C/5)、500μA(1C)、1mA(2C)、2.5mA(5C)、5mA(10C)において5サイクル、並びに10mA(20C)、20mA(40C)、30mA(60C)、及び50mA(100C)において10サイクルによって、行った。括弧内の「速度」は、速度試験をシミュレートして、電流が印加された時間数の逆数を示す。1mA(2C)未満の低電流密度において、過電位は、100mV未満である;しかし、5mA(10C)において、過電位は200mVに上昇し、100Cで約700mVに増加する。
Overpotentials in Li||Li Symmetric Cells as a Function of Current Density As a control, Li||Li symmetric cells were cycled at current densities corresponding to those in FIGS. 4A-4E (FIG. 8). The cell was arranged identically to that used for the metal oxide tests, except that the composite electrode was replaced with a second Li disk. Rate tests were performed at 100 μA (C/5), 500 μA (1 C), 1 mA (2 C), 2.5 mA (5 C), 5 mA (10 C) for 5 cycles and 10 mA (20 C), 20 mA (40 C), 30 mA (60 C). ), and 10 cycles at 50 mA (100C). "Speed" in brackets indicates the reciprocal of the number of hours the current was applied, simulating a speed test. At low current densities below 1 mA (2C) the overpotential is less than 100 mV; however, at 5 mA (10C) the overpotential rises to 200 mV and at 100C increases to about 700 mV.
対称セルにおける過電位(図8)は、図4A及び図4Dの電気化学的サイクリング曲線において観察されたものとよく一致する。これは、バルク電極に対する極めて高速度が、室温における炭酸エステル電解質中でのLi金属メッキ/ストリッピング及び/又はリチウムイオンの脱溶媒和及び輸送の限界に近づくこと、すなわち、急速充電時に見られるオーム損失の相当の部分は、複合酸化物電極材料ではなくLi金属に起因することを示唆している。 The overpotentials in the symmetrical cell (Fig. 8) are in good agreement with those observed in the electrochemical cycling curves of Figs. 4A and 4D. This is because the extremely high rates for bulk electrodes approach the limits of Li metal plating/stripping and/or desolvation and transport of lithium ions in carbonate electrolytes at room temperature, i.e. the ohmic It suggests that a substantial portion of the loss is due to the Li metal rather than the composite oxide electrode material.
7Liパルス磁場勾配NMR分光法
7Li NMR拡散スペクトルを、拡張された可変温度能を備えたDiff50プローブヘッドを用いて、Bruker Avance III 300MHz分光計に記録した。スペクトルは、スピン-スピン緩和時間(T2)の損失を最小限にするために、図9に示された刺激エコーパルス磁場勾配(PFG)シーケンスにより、記録された。最初の90°高周波(rf)パルスの後、T2緩和により正味磁化はコヒーレンスを失う;したがって、(スピン位置を符号化するための)最初のPFGパルスを含むこのパルスに続く期間は、T2より短くなければならない。ここで使用された刺激エコーシーケンスにおいて、拡散時間、Δ、に先立ってz軸に沿った正味磁化を記憶する第二の90°rfパルスを印加し、T2緩和が生じないので、観察された種が比較的長いスピン-格子(T1)値に釣り合う時間、拡散することを可能にする。Δの間、残留横方向磁化を除去するために短いスポイラー勾配(SINE.100)を印加する。その後、第三の90°rfパルスを印加し、続いてスピン位置を復号化するためにPFGパルスを印加する。拡散測定における渦電流を最小限にするために、PFGと高周波パルスとの間に十分に長い遅延(≧0.5ms)を使用した。
7 Li pulsed field gradient NMR spectroscopy
7 Li NMR diffusion spectra were recorded on a
このシーケンスの間、勾配強度、g、を0.87から1800G・cm-1まで又は2300G・cm-1まで変化させ、1024~4096のトランジェントを有する「オプト」シェイプのパルスを用いて、16の勾配ステップを獲得した。オプトシェイプは、4分の1の正弦波で始まり、一定勾配がそれに続き、ランプダウンで終わるコンポジットパルスである(図9)。「オプト」勾配パルスは、所与の期間に対する最大勾配積分を提供し、本実験で評価できた拡散係数の範囲を最大にする。 During this sequence, the gradient strength, g, was varied from 0.87 to 1800 G cm −1 or 2300 G cm −1 , using “opt” shaped pulses with transients from 1024 to 4096 for 16 Got a gradient step. The optoshape is a composite pulse that begins with a quarter sine wave followed by a constant slope and ends with a ramp down (Fig. 9). An 'opt' gradient pulse provides the maximum gradient integral for a given time period, maximizing the range of diffusion coefficients that could be evaluated in this experiment.
スペクトルは、位相敏感モードで解析され、NMRシグナル強度、I、の応答は、gの変動に対して、Stejskal-Tanner式によって表される: The spectra were analyzed in phase-sensitive mode and the response of the NMR signal intensity, I, is expressed by the Stejskal-Tanner equation for variations in g:
式中、I0は、勾配がない場合の強度であり、γは磁気回転比であり(γ7Li=103.962×106s-1・T-1)、δは有効勾配パルス幅であり、Dは拡散係数である。ここで、NMRシグナル強度及び積分は、類似の7Li拡散性を与えたが、フィットの標準偏差により評価すると、NMRシグナル強度は、より信頼できるデータを与えた。ブロンズ及びブロック相サンプルについて、それぞれ、典型的なδ値は、0.8msから1.5msの範囲であり、Δ値は、50~100msの範囲であった。 where I 0 is the intensity without gradient, γ is the gyromagnetic ratio (γ 7Li =103.962×10 6 s −1 ·T −1 ), and δ is the effective gradient pulse width. , D is the diffusion coefficient. Here, NMR signal intensity and integration gave similar 7 Li diffusivities, but NMR signal intensity gave more reliable data as assessed by the standard deviation of the fit. Typical δ values ranged from 0.8 ms to 1.5 ms and Δ values ranged from 50 to 100 ms for bronze and block phase samples, respectively.
高温で観察されたT2の増加のために、拡散スペクトルは、高温(333~453K)で記録した(例えば、Li3.4Nb18W16O93のT2は室温で約700μsであり、対して453Kでは1.9msである)。(注:単調7Liコイルが使用されたこと、及び信頼できる7Li参照が日常的に温度較正に使用されないことから、この実験設定に関して温度を較正する試みはされなかった。Brukerマニュアルには、静的測定のためには、温度較正は、設定値±7度以内であるべきであると記述されている。)T2の増加は、固体酸化物において拡散係数を測定するために必要であったより長い勾配パルス、δ、の使用を可能にした。 Diffusion spectra were recorded at high temperature (333-453 K) due to the observed T2 increase at high temperature (e.g., the T2 of Li 3.4 Nb 18 W 16 O 93 is about 700 μs at room temperature, 1.9 ms at 453K). (Note: No attempt was made to calibrate the temperature for this experimental set-up because a monotonic 7 Li coil was used and a reliable 7 Li reference is not routinely used for temperature calibration. The Bruker manual states: It is stated that for static measurements the temperature calibration should be within ±7 degrees of the set point.) An increase in T2 was necessary to measure diffusion coefficients in solid oxides. allowed the use of longer gradient pulses, δ.
代表的な7Li拡散減衰曲線を、図10に示す。データ品質は直接、Li含量及び後続の7Li NMRスペクトルのシグナル-ノイズ比(SNR)に相関し、ここで95、56、10、及び12のSNRが、それぞれ図10A(Li10.2Nb18W16O93)、図10B(Li6.8Nb18W16O93)、図10C(Li3.4Nb18W16O93)、及び図10D(Li6.3Nb16W5O55)について、観察された。低Li含量Li3.4Nb18W16O93サンプルのSNRは低く、シグナル減衰はわずかに約60%であったのに対して、7Li拡散性及び活性化エネルギーにおいて観察された傾向は、よりリチウム化されたブロンズ構造において観察されたものと一致することに注目している。 A representative 7 Li diffusion decay curve is shown in FIG. Data quality directly correlates to the Li content and the signal-to-noise ratio (SNR) of subsequent 7 Li NMR spectra, where SNRs of 95, 56, 10, and 12, respectively, are shown in Figure 10A (Li 10.2 Nb 18 W16O93 ) , FIG . 10B ( Li6.8Nb18W16O93 ) , FIG . 10C ( Li3.4Nb18W16O93 ), and FIG . 10D ( Li6.3Nb16W5O55 ) was observed. The SNR of the low Li content Li 3.4 Nb 18 W 16 O 93 sample was low, with a signal attenuation of only about 60%, whereas the observed trends in 7 Li diffusivity and activation energy were We note that it is consistent with what was observed in the more lithiated bronze structure.
Li6.3Nb16W5O55は、333Kで4.3×10-12m2・s-1もの急速なリチウム輸送を伴う二成分挙動を示す(図11)。アレニウス挙動及び測定された0.23eVの活性化エネルギーを仮定すると、室温でのリチウム拡散係数は、2.1×10-12m2・s-1と推定される(Table 1(表1))。 Li 6.3 Nb 16 W 5 O 55 exhibits binary behavior with a rapid lithium transport of 4.3×10 −12 m 2 ·s −1 at 333 K (FIG. 11). Assuming Arrhenius behavior and a measured activation energy of 0.23 eV, the lithium diffusion coefficient at room temperature is estimated to be 2.1×10 −12 m 2 ·s −1 (Table 1). .
LixNb18W16O93(x=3.4、6.8、10.2)は、室温での拡散係数1.1×10-13m2・s-1及び0.27から0.30eVの範囲のEaという、類似の拡散及び活性化エネルギーを示した。 Li x Nb 18 W 16 O 93 (x=3.4, 6.8, 10.2) has diffusion coefficients of 1.1×10 −13 m 2 ·s −1 and 0.27 to 0.27 at room temperature. They exhibited similar diffusion and activation energies, with E a in the range of 30 eV.
両方のニオブタングステン酸化物構造におけるリチウム拡散は、Li4+xTi5O12又はLixTiO2のリチウム拡散の約10-16~10-15m2・s-1よりも著しく速く、最もよく知られたリチウム固体電解質に近い(Table 2(表2))。 Lithium diffusion in both niobium tungsten oxide structures is significantly faster than that of Li 4+x Ti 5 O 12 or Li x TiO 2 , about 10 −16 to 10 −15 m 2 ·s −1 , and is best known. It is close to a lithium solid electrolyte (Table 2).
PFG NMR(図11)の結果は、初期のリチウムイオン拡散は、10-12から10-13m2・s-1のオーダーであり、その一方で定電流間欠滴定法(GITT)測定値(図12)は、ニオブタングステン酸化物が、この急速な運動を高容量(≧1.5Li+/TM)まで維持し、そこで拡散は約2桁低下して2.0Li+/TMに向かうことを示す。これは、高速マルチレドックスのためのニオブタングステン酸化物電極材料の固有の範囲が約1.5Li+/TMに及ぶことを示唆している。これらの材料について測定された10-12から10-13m2・s-1のオーダーの拡散係数は、60C時間尺度で6から19μm粒子の完全リチウム化を達成するのに必要な値と一致する。 PFG NMR (Fig. 11) results indicate that the initial lithium ion diffusion is on the order of 10-12 to 10-13 m2s -1 , while galvanostatic intermittent titration (GITT) measurements (Fig. 12) show that niobium tungsten oxide sustains this rapid kinetics up to high capacities (≧1.5 Li + /TM), where diffusion drops off by about two orders of magnitude towards 2.0 Li + /TM. . This suggests that the inherent range of niobium tungsten oxide electrode materials for fast multi-redox extends to about 1.5 Li + /TM. Diffusion coefficients on the order of 10 −12 to 10 −13 m 2 ·s −1 measured for these materials are consistent with the values required to achieve complete lithiation of 6 to 19 μm particles on the 60 C timescale. .
定電流間欠滴定法(GITT)
相転移を含む電極熱力学及びリチウム速度論に関する情報は、リチウムが拡散し、且つ化学ポテンシャルが電極/粒子内で平衡するときに、短い電流パルス後の電圧発生を追跡することによって、原則として、GITT測定値から抽出することができる。しかし、信頼できる定量的な拡散係数、DLi、をGITTのみから抽出するのは困難である。拡散係数をGITT測定値から決定するためには、拡散長(L)を決定しなければならないが、電池電極は不均一系である。第一に、電池電極は、活物質(ここでは、金属酸化物)、多孔質炭素、及びポリマーバインダーのコンポジットである。このコンポジット内には、粒径の分布がある(単結晶又は十分確定された粒子が使用されない限り;その場合であっても拡散は格子方向に伴い変化する)。更に、固体/液体界面及び多孔質電極構造が存在するので、拡散の異なる定型的過程が存在しなければならない。それにもかかわらず、激しい粉砕を受けない電極(例えば、インターカレーション電極)において、Lは実験の間中固定された量である。緩和の速度を拡散と関連付けるのに必要なパラメータであるLの変動は、DLiの値を、同一材料に関してでさえも、報告間で相当に変化させる原因となる。したがって、物理的に意味のある拡散係数は、抽出されないかもしれないが、拡散の相対的尺度は容易に得られる。この理由により、Lの不確実性を排除し、且つ同一の条件下で調製された単一電極及び複数電極の自己矛盾のない解析を可能にするリチウム拡散に関する抽出されたプロキシ(DLi・L-2、図12)を使用する。別の方法、例えばNMR分光法、からの定量的情報の追加は、Li+の速度論における相対的変化を、ある範囲のリチウム化全体にわたる定量的拡散値に対して較正することを可能にする。
Galvanostatic intermittent titration (GITT)
Information on electrode thermodynamics and lithium kinetics, including phase transitions, can be obtained in principle by following the voltage evolution after a short current pulse as lithium diffuses and the chemical potential equilibrates within the electrode/particle. It can be extracted from GITT measurements. However, it is difficult to extract a reliable quantitative diffusion coefficient, D Li , from GITT alone. In order to determine the diffusion coefficient from GITT measurements, the diffusion length (L) must be determined, and battery electrodes are heterogeneous systems. First, the battery electrode is a composite of active material (here, a metal oxide), porous carbon, and a polymer binder. Within this composite there is a distribution of grain sizes (unless single crystals or well-defined grains are used; even then diffusion varies with lattice direction). Furthermore, since there are solid/liquid interfaces and porous electrode structures, different routines of diffusion must exist. Nevertheless, in electrodes that do not undergo severe crushing (eg, intercalation electrodes), L is a fixed quantity throughout the experiment. Variations in L, a parameter necessary to relate the rate of relaxation to diffusion, cause the values of DLi to vary considerably between reports, even for the same material. Therefore, although a physically meaningful diffusion coefficient may not be extracted, a relative measure of diffusion is readily obtained. For this reason, an extracted proxy for lithium diffusion (D Li L -2 , Fig. 12). The addition of quantitative information from other methods, such as NMR spectroscopy, allows relative changes in Li + kinetics to be calibrated against quantitative diffusion values over a range of lithiations. .
図12に示すように、Nb16W5O55において、Li4.5(5)Nb16W5O55の希釈限度から、最も速い拡散が観察され、2以上のLi+/TMが組み込まれた低電圧ウィンドウにおいて2桁の低下があった。GITTのデータは、Nb16W5O55の第二の電気化学領域は、二相反応について典型的に観察されるものよりも広いことを示すが、この領域で観察されたDLi・L-2値の不連続性は、二相挙動に近づいていることを示唆している。Nb18W16O93の平均拡散係数は、Nb16W5O55と類似している。ブロンズもまた、2.1、1.85、及び1.7Vにおいて、不連続性を示す。両方の相において、1.25V未満、1Li+/TMをはるかに上回る、低電圧領域は、増加する過電位及び抑制された速度論によって特徴付けられる。 As shown in FIG. 12, the fastest diffusion is observed in Nb 16 W 5 O 55 from the dilution limit of Li 4.5(5) Nb 16 W 5 O 55 , incorporating Li + /TM of 2 or more. There was a two order of magnitude drop in the lower voltage window. The GITT data indicate that the second electrochemical region of Nb 16 W 5 O 55 is broader than that typically observed for two-phase reactions, although the observed D Li L − A binary discontinuity suggests approaching two -phase behavior. The average diffusion coefficient of Nb 18 W 16 O 93 is similar to that of Nb 16 W 5 O 55 . Bronze also shows discontinuities at 2.1, 1.85 and 1.7V. In both phases, the low voltage region, below 1.25 V and well above 1 Li + /TM, is characterized by increasing overpotentials and suppressed kinetics.
アノード材料ラゴンプロット
アノード材料ラゴンプロット:カソード材料のエネルギー密度は、容量(Q)と電圧(V)の積である;しかし、この積は、エネルギーと電圧が逆の関係にあるアノード材料を比較する場合には機能しない。図13のアノード材料ラゴンプロットの算出において、エネルギー(E)は、4.0Vカソードに対する電圧差に基づいて算定される。したがって、アノードに正規化され、Eanode=(Vcathode-Vanode)*Qanodeとなる。
Anode Material Ragone Plot Anode Material Ragone Plot: The energy density of a cathode material is the product of capacity (Q) and voltage (V); however, this product compares anode materials where energy and voltage are inversely related. doesn't work in that case. In calculating the anode material Ragone plot of FIG. 13, the energy (E) is calculated based on the voltage difference to the 4.0V cathode. Therefore, normalized to the anode, E anode = (V cathode - V anode )*Q anode .
理論的な1.0Li+/TM反応及び活物質の結晶学的密度に基づいて厳密に比較すると、チタニア、ニオビア、及びグラファイトは全て、800A・h・L-1超の理論的電荷密度を示す(図14)。実験容量及びタップ密度を考慮すると(図13A)、ここに提示されたバルクの、最適化されていないニオブタングステン酸化物は、最適化されたバージョンのTiO2、Nb2O5、LTOでさえも達成できない体積性能である、1Cで500A・h・L-1超、且つ20Cで400A・h・L-1までの体積電荷密度を維持する。これは、例えばSunらによって多孔性グラフェンスキャホールドにより証明されているように、提示された化合物が、ナノ構造化、カレンダー加工、又は炭素被覆などの方法によって改善され得ないとは言わないまでも、大きなマイクロメートルサイズの粒子を高速電極に使用することができることを証明し、ナノサイズ化が必ずしも、性能を向上させる最も適切な戦略ではないことを例証する。これは、最先端の高速アノード材料及びグラファイトと比較したときの、新しいバルクニオブタングステン酸化物のより高いエネルギー密度を示している、ラゴンプロット(図13B)において明白である。 Titania, niobia, and graphite all exhibit theoretical charge densities greater than 800 A·h·L −1 ( Figure 14). Considering experimental volumes and tap densities (Fig. 13A ), the bulk, non-optimized niobium tungsten oxides presented here, even optimized versions of TiO2 , Nb2O5 , LTO It maintains volumetric charge densities greater than 500 A·h·L −1 at 1C and up to 400 A·h·L −1 at 20C, unattainable volumetric performance. This is not to say that the proposed compounds cannot be improved by methods such as nanostructuring, calendering, or carbon coating, as evidenced by porous graphene scaffolds, for example by Sun et al. , demonstrate that large micrometer-sized particles can be used in high-speed electrodes, and demonstrate that nanosizing is not necessarily the most appropriate strategy to improve performance. This is evident in the Ragone plot (Fig. 13B), which shows the higher energy density of the new bulk niobium tungsten oxide when compared to state-of-the-art fast anode materials and graphite.
市販材料-ハーフセル試験
更に、ニオブタングステン酸化物の高速アノード材料としての好適性を試験するために、市販の高速カソード材料NMC622(LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2;Targray社)、リン酸リチウム鉄(LiFePO4;Johnson Matthey社)、及びLiMn2O4(MTI Corp社)を購入した。これらの市販材料は、先ず、ハーフセル形状において、Li金属に対して特徴付けされた。電気化学的測定を、ステンレス鋼2032-コイン型電池及びガラスマイクロファイバーセパレータを用いて、上に記載のNb16W5O55及びNb18W16O93に対してと同じ方法で、行った。市販のカソード材料、導電性炭素(Li-250炭素;Deka Chemicals社)及びPVDFを上記と同じ方法で一緒にすり潰し、ハーフセル形状において、Li金属ディスクアノードに対するカソードとして機能する80/10/10電極(80質量%の活物質、10質量%の炭素及び10質量%のポリマーを含む)を調製した。電解質は150μL LP30であった。添加剤は使用しなかった。
Commercial Materials—Half Cell Test To further test the suitability of niobium tungsten oxide as a high speed anode material, a commercial high speed cathode material NMC622 (LiNi 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 O 2 ; Targray) was used. , lithium iron phosphate ( LiFePO4 ; Johnson Matthey ), and LiMn2O4 (MTI Corp) were purchased. These commercial materials were first characterized against Li metal in half-cell geometry. Electrochemical measurements were performed using stainless steel 2032-coin cells and glass microfiber separators in the same manner as for Nb 16 W 5 O 55 and Nb 18 W 16 O 93 described above. Commercially available cathode materials, conductive carbon (Li-250 carbon; Deka Chemicals) and PVDF were ground together in the same manner as above to form an 80/10/10 electrode ( 80 wt% active material, 10 wt% carbon and 10 wt% polymer) was prepared. The electrolyte was 150 μL LP30. No additives were used.
NMC622はこれらの条件下で、3.8Vの平均電圧及び175mA・h・g-1の実用容量を示した(図17A)。LiFePO4は、3.4Vの平均電圧及び165mA・h・g-1の実用容量を示し(図17B)、LiMn2O4は、4.0Vの平均電圧及び120mA・h・g-1の実用容量を示した(図17C)。 NMC622 exhibited an average voltage of 3.8 V and a practical capacity of 175 mA·h·g −1 under these conditions (FIG. 17A). LiFePO 4 exhibited an average voltage of 3.4 V and a practical capacity of 165 mA·h·g −1 (FIG. 17B), and LiMn 2 O 4 exhibited an average voltage of 4.0 V and a practical capacity of 120 mA·h·g −1 . capacity was shown (Fig. 17C).
電極最適化-Nb16W5O55
Nb16W5O55電極の性能を最適化するために、以下のTable 3(表3)に記載された仕様のように、一連の電極を作製した。電気化学的特徴付けを、上記のようにステンレス鋼2032コイン型電池及びガラスマイクロファイバーセパレータを用いて行った。ハーフセル形状において、Li金属ディスクをアノードとして使用した。電解質は150μL LP30であった。添加剤は使用しなかった。
Electrode optimization—Nb 16 W 5 O 55
To optimize the performance of the Nb 16 W 5 O 55 electrodes, a series of electrodes were fabricated with the specifications given in Table 3 below. Electrochemical characterization was performed using stainless steel 2032 coin cells and glass microfiber separators as described above. A Li metal disk was used as the anode in a half-cell configuration. The electrolyte was 150 μL LP30. No additives were used.
バルク速度性能は、5質量%のPVDF又は4質量%のSRB及び1質量%のCMCをバインダーとして用いた場合に、向上したことが示された(図18)。カレンダー加工もまた、一貫して電極性能を向上させた。 Bulk velocity performance was shown to improve when 5 wt% PVDF or 4 wt% SRB and 1 wt% CMC were used as binders (Figure 18). Calendering also consistently improved electrode performance.
市販の電極材料によるフルセルの作動
ニオブタングステン酸化物の高速アノード材料としての好適性を試験するために、市販の高速カソード材料NMC622、LiFePO4、及びLiMn2O4を用いて、フルセルを作製した。電気化学的測定を、ステンレス鋼2032-コイン型電池及びガラスマイクロファイバーセパレータを用いて、上に記載のNb16W5O55及びNb18W16O93に対してと同じ方法で、行った。市販のカソード材料、Li-250炭素及びPVDFを上記のように一緒にすり潰し、カソードとして機能する80/10/10電極(80質量%の活物質、10質量%の炭素、及び10質量%のポリマーを含む)を調製した。Nb16W5O55、Li-250炭素及びPVDFを一緒にすり潰して、アノードとして機能する80/10/10電極(80質量%の活物質、10質量%の炭素、及び10質量%のポリマーを含む)を調製した。カソードがNMC622を含む場合、アノードはNb16W5O55、Li-250炭素及びPVDFを80/15/5の比で含んだ。電解質は全ての場合で、150μL LP30であった。添加剤は使用しなかった。アノードとカソードの容量比は、1:1であった。フルセルのバランス調整のために、NMC622の理論容量は、175mA・h・g-1とみなされた。
Full Cell Operation with Commercial Electrode Materials To test the suitability of niobium tungsten oxide as a high speed anode material, a full cell was fabricated using the commercial high speed cathode materials NMC622, LiFePO4 , and LiMn2O4 . Electrochemical measurements were performed using stainless steel 2032-coin cells and glass microfiber separators in the same manner as for Nb 16 W 5 O 55 and Nb 18 W 16 O 93 described above. Commercially available cathode materials, Li-250 carbon and PVDF, were ground together as described above to form an 80/10/10 electrode (80 wt% active material, 10 wt% carbon, and 10 wt% polymer including) were prepared. Nb 16 W 5 O 55 , Li-250 carbon and PVDF were ground together to form an 80/10/10 electrode (80 wt% active material, 10 wt% carbon, and 10 wt% polymer) that served as the anode. including) were prepared. Where the cathode contained NMC622, the anode contained Nb 16 W 5 O 55 , Li-250 carbon and PVDF in a ratio of 80/15/5. The electrolyte was 150 μL LP30 in all cases. No additives were used. The capacity ratio of the anode and cathode was 1:1. For full-cell balancing purposes, the theoretical capacity of NMC622 was assumed to be 175 mA·h·g −1 .
フルセルを1.0と3.0Vの間で評価した。LiFePO4及びLiMn2O4カソードを有するフルセルの初期充電/放電曲線を、それぞれ、図19A及び図19Bに示す。C/5という低速度で、フルセルはLiMn2O4に対して、カソードの実用容量に近い120mA・h・g-1の容量を示した。LiFePO4をカソードとして、140mA・h・g-1の容量が測定された。NMC622をカソードとして、165mA・h・g-1という高容量が測定された(図19C)。容量は、活性カソード材料の質量に基づいて見積もられる。 Full cells were rated between 1.0 and 3.0V. The initial charge/ discharge curves of full cells with LiFePO4 and LiMn2O4 cathodes are shown in Figures 19A and 19B, respectively. At rates as low as C/5, the full cell exhibited a capacity of 120 mA·h·g −1 for LiMn 2 O 4 , which is close to the practical capacity of the cathode. A capacity of 140 mA·h·g −1 was measured with LiFePO 4 as the cathode. A high capacity of 165 mA·h·g −1 was measured with NMC622 as the cathode (FIG. 19C). Capacity is estimated based on the mass of the active cathode material.
NMC622フルセルの速度性能をC/5から20Cの電流密度範囲において評価した。NMC622フルセルは、20Cで、C/5での容量に対する75%容量保持率よりも大きい125mA・h・g-1の容量を維持した(図19D)。より長期のサイクリングを試験するために、NMC622フルセルを10C充電及び10C放電速度で300サイクルさせた。これらの条件下で、120mA・h・g-1の容量が、300サイクル後に観察され、これは80%容量保持率超に相当する(図19E)。より低速度で、98%を上回る非常に高い容量保持率が、1C充電及び1C放電での100サイクルに対して達成された(図19F)。 The speed performance of the NMC622 full cell was evaluated in the current density range from C/5 to 20C. The NMC622 full cell maintained a capacity of 125 mA·h·g −1 at 20 C, greater than 75% capacity retention relative to capacity at C/5 (FIG. 19D). To test longer term cycling, NMC622 full cells were cycled at 10C charge and 10C discharge rates for 300 cycles. Under these conditions, a capacity of 120 mA·h·g −1 was observed after 300 cycles, corresponding to over 80% capacity retention (FIG. 19E). At lower rates, a very high capacity retention of over 98% was achieved for 100 cycles at 1C charge and 1C discharge (Fig. 19F).
電極劣化の調査
容量損失の原因を調べるために、上記のようなNb16W5O55アノード及びNMC622カソードを用いたフルセルを1C充電及び1C放電で500サイクルさせた。71.1%の容量保持率が観察された(図20A)。セルを分解し、カソード及びアノードを、ハーフセル形状において、Li金属電極に対するセルに再度組み立てた。図20Bに示すように、抽出されたNMC622電極は、0.48mAhの容量を示した。この構成におけるNMC622ハーフセルの初期容量は、0.72mAhであった。したがって、NMC622電極は、67%の容量保持率(33%の容量損失)を示した。対照的に、抽出されたNb16W5O55電極は、この構成において、0.73mAh初期容量に対して0.62mAhの容量を示した(図20C)。これは、85%の容量保持率(15%の容量損失)に相当する。したがって、Nb16W5O55アノード及びNMC622カソードを含むフルセルにおいて観察された容量損失の半分超が、NMC622カソードの劣化から生じた。これは、Nb16W5O55材料が、特に復元力のある電極材料であることを示す。
Investigation of Electrode Degradation To investigate the cause of capacity loss, full cells with Nb 16 W 5 O 55 anodes and NMC622 cathodes as described above were subjected to 500 cycles of 1C charge and 1C discharge. A capacity retention of 71.1% was observed (Figure 20A). The cell was disassembled and the cathode and anode reassembled into a cell against the Li metal electrode in a half-cell configuration. As shown in FIG. 20B, the extracted NMC622 electrode exhibited a capacity of 0.48 mAh. The initial capacity of the NMC622 half-cell in this configuration was 0.72 mAh. Thus, the NMC622 electrode exhibited 67% capacity retention (33% capacity loss). In contrast, the extracted Nb 16 W 5 O 55 electrode exhibited a capacity of 0.62 mAh for an initial capacity of 0.73 mAh in this configuration (FIG. 20C). This corresponds to 85% capacity retention (15% capacity loss). Thus, more than half of the capacity loss observed in full cells containing Nb 16 W 5 O 55 anodes and NMC622 cathodes resulted from degradation of the NMC622 cathodes. This indicates that the Nb 16 W 5 O 55 material is a particularly resilient electrode material.
アノードとしてのNb16W5O55とLTOの混合物
電極材料としてのNb16W5O55とLTOの混合物の使用を試験するために、追加の実験を行った。Nb16W5O55のLTOに対する3つの異なる比を含む電極を作製し、上に記載のNb16W5O55と及びNb18W16O93に対してと同じ方法で、Li金属アノードに対して測定した。定電流充電-放電曲線を、重量容量に対して正規化された図21Aに示す。1.55Vの平均電圧は、純LTOの平均電圧に近い(図5A)。7:3(Nb16W5O55:LTO)の比において、225mA・h・g-1の重量容量がC/5で観察され、20Cで125mA・h・g-1が認められた(図21B)。3:7(Nb16W5O55:LTO)に関して、190mA・h・g-1の重量容量がC/5で観察され、20Cで130mA・h・g-1が認められた(図21B)。より長期のサイクリングを試験するために、セルを10C充電及び10C放電速度で500サイクルさせた。これらの条件下で、93%容量保持率超を示す150mA・h・g-1の容量が観察された(図21C)。
Mixtures of Nb 16 W 5 O 55 and LTO as Anodes Additional experiments were performed to test the use of mixtures of Nb 16 W 5 O 55 and LTO as electrode materials. Electrodes containing three different ratios of Nb 16 W 5 O 55 to LTO were prepared and applied to Li metal anodes in the same manner as for Nb 16 W 5 O 55 and Nb 18 W 16 O 93 described above. measured against. Galvanostatic charge-discharge curves are shown in FIG. 21A normalized to gravimetric capacity. The average voltage of 1.55 V is close to that of pure LTO (Fig. 5A). At a ratio of 7:3 (Nb 16 W 5 O 55 :LTO), a gravimetric capacity of 225 mA·h·g −1 was observed at C/5 and 125 mA·h·g −1 at 20C (Fig. 21B). For 3:7 (Nb 16 W 5 O 55 :LTO), a gravimetric capacity of 190 mA·h·g −1 was observed at C/5 and 130 mA·h·g −1 at 20C (FIG. 21B). . To test longer term cycling, the cells were cycled at 10C charge and 10C discharge rates for 500 cycles. Under these conditions, a capacity of 150 mA·h·g −1 was observed, indicating greater than 93% capacity retention (FIG. 21C).
3:7(Nb16W5O55:LTO)アノード及びNMC622カソードを含むフルセルを、上に記載のNb16W5O55及びNb18W16O93に対してと同じ方法で、ガラスマイクロファイバーセパレータを備えたステンレス鋼2032-コイン型電池中に調製した。Nb16W5O55、LTO、Super P炭素、及びPVDFを一緒にすり潰し、80/15/15活物質/炭素/ポリマーアノードを調製した。NMC622、Li-250炭素、及びPVDFを上記のように一緒にすり潰し、カソードとして機能する80/10/10活物質/炭素/ポリマー電極を調製した。電解質は150μL LP30であった。添加剤は使用しなかった。 Glass microfiber _ _ _ _ _ _ _ Prepared in a stainless steel 2032-coin cell with a separator. Nb 16 W 5 O 55 , LTO, Super P carbon, and PVDF were ground together to prepare an 80/15/15 active material/carbon/polymer anode. NMC622, Li-250 carbon, and PVDF were ground together as above to prepare an 80/10/10 active material/carbon/polymer electrode to serve as the cathode. The electrolyte was 150 μL LP30. No additives were used.
フルセルを、図22Aにおいて示すように、1.0から3.25Vの間で評価した。C/5という低速度で、200mA・h・g-1の容量が観察された。平均電圧は、2.25Vであった。フルセルの速度性能を、C/5から20Cの電流密度範囲において評価した。フルセルは、20Cで、C/5での容量に対する78%容量保持率よりも大きい160mA・h・g-1の容量を維持した(図22B)。 A full cell was rated between 1.0 and 3.25 V as shown in FIG. 22A. At a rate as low as C/5, a capacity of 200 mA·h·g −1 was observed. The average voltage was 2.25V. Full-cell speed performance was evaluated in the current density range from C/5 to 20C. The full cell maintained a capacity of 160 mA·h·g −1 at 20 C, greater than 78% capacity retention for capacity at C/5 (FIG. 22B).
Nb2Mo3O14の電気化学的特徴付け
Nb2Mo3O14の電気化学的特徴付けを、円錐ばね、2枚の0.5mmステンレス鋼スペーサーディスク、プラスチックガスケット、及びガラスマイクロファイバーセパレータ(Whatman社)を配したステンレス鋼2032-コイン型電池(Cambridge Energy Solutions社)を用いて、上に記載のNb16W5O55及びNb18W16O93に対してと同じ方法で行った。金属酸化物及び導電性炭素(Super P、TIMCAL社)を、8:1の質量比で、メノウ乳鉢及び乳棒で、手作業ですり潰した。この粉末を、N-メチルピロリドン(NMP、Sigma-Aldrich社、無水、99.5%)中に分散したポリ(ビニリデンジフルオリド)(PVDF、Kynar社)と9:1の質量比ですり潰した。この金属酸化物/炭素/ポリマー電極は、ハーフセル形状において、Li金属ディスク(LTS Research社、99.95%)アノードに対するカソードとして機能した。電解質は、1:1v/v炭酸エチレン/炭酸ジメチル(EC/DMC、Sigma-Aldrich社、電池グレード)に溶解した1M LiPF6であった。添加剤は使用しなかった。電気化学的測定は、293Kの温度制御室内で行った。EC-Labソフトウェアを備えたBiologic社のガルバノスタット/ポテンショスタットを使用して、電気化学的測定を行った。
Electrochemical Characterization of Nb 2 Mo 3 O 14 Electrochemical characterization of Nb 2 Mo 3 O 14 was performed using a conical spring, two 0.5 mm stainless steel spacer discs, a plastic gasket, and a glass microfiber separator (Whatman (Cambridge Energy Solutions) in the same manner as for Nb 16 W 5 O 55 and Nb 18 W 16 O 93 described above. Metal oxides and conductive carbon (Super P, TIMCAL) were manually ground in an agate mortar and pestle at a weight ratio of 8:1. This powder was ground in a 9:1 weight ratio with poly(vinylidene difluoride) (PVDF, Kynar) dispersed in N-methylpyrrolidone (NMP, Sigma-Aldrich, anhydrous, 99.5%). This metal oxide/carbon/polymer electrode served as a cathode to a Li metal disk (LTS Research, 99.95%) anode in a half-cell configuration. The electrolyte was 1M LiPF 6 dissolved in 1:1 v/v ethylene carbonate/dimethyl carbonate (EC/DMC, Sigma-Aldrich, battery grade). No additives were used. Electrochemical measurements were performed in a temperature-controlled room at 293K. Electrochemical measurements were performed using a Biologic galvanostat/potentiostat with EC-Lab software.
C/20で、約200mA・h・g-1の重量容量を維持することが可能である(図15)。Nb2Mo3O14は、約2.0Vの平均電圧を示す。したがって、Nb2Mo3O14は、例えば、3.0から1.4V、又は3.0から1.8Vの電圧ウィンドウにおいて使用されてもよく、高速において高容量をなお提供し、その一方で電解質との作用を回避するか又は最小限にする。これは、今後見込まれる多くの固体電極材料が低電圧アノードと作用するときに、有利であり、これはNb2Mo3O14アノードを用いて緩和されうる。 At C/20, it is possible to maintain a gravimetric capacity of about 200 mA·h·g −1 (FIG. 15). Nb 2 Mo 3 O 14 shows an average voltage of about 2.0V. Thus, Nb 2 Mo 3 O 14 may be used, for example, in the voltage window of 3.0 to 1.4 V, or 3.0 to 1.8 V, while still providing high capacity at high speeds, while Avoid or minimize interactions with electrolytes. This is an advantage when many prospective solid electrode materials work with low voltage anodes, which can be mitigated using Nb 2 Mo 3 O 14 anodes.
参考文献
本明細書において言及される全ての文献は、参照によりその内容全体が本明細書に組み込まれる。
REFERENCES All documents mentioned herein are hereby incorporated by reference in their entirety.
Claims (16)
前記電気化学セルが、Nb16W5O55 、Nb18W16O93 、及びこれらの組合せから選択されるニオブタングステン酸化物を含む作用電極を有する、方法。 A method of charging and/or discharging an electrochemical cell, comprising:
The method, wherein the electrochemical cell has a working electrode comprising a niobium tungsten oxide selected from Nb16W5O55 , Nb18W16O93 , and combinations thereof .
2サイクル以上を含む、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。 charging and discharging or discharging and charging the electrochemical cell;
7. The method of any one of claims 1-6 , comprising two or more cycles.
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